EP4046241A1 - Array antenna - Google Patents

Array antenna

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Publication number
EP4046241A1
EP4046241A1 EP20793760.8A EP20793760A EP4046241A1 EP 4046241 A1 EP4046241 A1 EP 4046241A1 EP 20793760 A EP20793760 A EP 20793760A EP 4046241 A1 EP4046241 A1 EP 4046241A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
line
delay
antenna
excitation
eij
Prior art date
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Granted
Application number
EP20793760.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4046241B1 (en
Inventor
Juan Duran
Cédric MARTEL
Gaëtan PRIGENT
Olivier Pascal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of EP4046241A1 publication Critical patent/EP4046241A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP4046241B1 publication Critical patent/EP4046241B1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/206Microstrip transmission line antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065Patch antenna array
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons

Definitions

  • the present description relates to an antenna array, which may be particularly suitable for establishing a radio link in at least one of the Ku and Ka frequency bands, between a mobile carrier and a geostationary satellite.
  • the communication systems designated by "SATCOM On-The-Move” make it possible to establish a radio-type communication link between a mobile carrier and a geostationary satellite.
  • the mobile carrier can be a land vehicle, a maritime vessel or an aircraft, in particular an airplane or a drone.
  • SATCOM On-The-Move For civilian applications, such a system can make it possible to provide an internet connection to carrier passengers, including access to messaging services, television services, etc.
  • military applications it can provide a continuous communication link between an aircraft and troops on the ground, or between an aircraft and an operational mission control post.
  • the use of the Ku frequency bands, between 12 GHz (gigahertz) 18 GHz, and Ka, between 26.5 GHz and 40 GHz, for such systems provides communication link rates which are higher, compared to to other frequency bands previously used.
  • the Ku and Ka frequency bands require that the antennas that are used on board carriers have sufficiently high gains, including gain values that are greater than 30 dBi, where dBi is the unit of gain, in decibels per compared to an antenna which radiates uniformly in all directions of space, or "decibels relative to isotropy" in English.
  • the carrier which is equipped with the antenna being mobile, it is necessary for the antenna to be able to produce a tilting in azimuth of 0 ° (degree) to 360 °, and a sufficiently large tilting in elevation, by example from 0 ° to 60 °.
  • Such deflections are measured with respect to a reference direction of the antenna which may be intended to be substantially parallel to the vertical direction of the place where the device is located.
  • the gain of the antenna must have different values depending on the polarization, with a rejection rate that is high enough for the polarization orthogonal to that used to make a communication link.
  • the radiation polarizations involved can be, for example, the right and left circular polarizations, or two linear polarizations that are oriented perpendicular to each other.
  • the thickness of the antenna is an additional constraint, in particular when the antenna is intended to be fixed on the fuselage of an aircraft, in order to reduce air flow disturbances that can cause the antenna.
  • thickness values that are less than a few centimeters are required for such applications on board an aircraft.
  • antennas with fully mechanical deflection including antennas with fully mechanical deflection, antennas with mixed deflection, that is to say partially by orientation movement and partially by phase-shifting network effect variable, antennas with a two-dimensional array of radiating elements, antennas with an array of reflecting elements, antennas with reconfigurable materials, for example based on ferrites or liquid crystals, etc.
  • all these antennas only partially meet all the existing constraints, including constraints of fragility, in particular when the antenna has moving parts, size constraints, gain constraints which is sufficiently high, constraints cost, operating temperature constraints, etc.
  • an aim of the present invention is to provide a new antenna which satisfies at least one of the aforementioned constraints to an improved extent, or which provides a compromise between some of these constraints which is improved by compared to existing antennas.
  • the invention may aim to provide such an antenna which is suitable for providing communication links.
  • a first aspect of the invention provides an array antenna which comprises:
  • each radiating element being adapted to individually produce an emission radiation from an electrical excitation signal which is received by this radiating element;
  • each line pattern being adapted to retransmit an electromagnetic signal which is received at input by this line pattern, with a variable delay on the basis of line within the delay line, so that the electromagnetic signal is a guided traveling wave which propagates along the delay line from a supply end of this delay line, and each line pattern being provided with at least one control input making it possible to vary the delay which is produced by this line pattern for the electromagnetic signal;
  • each excitation link being adapted to transmit to the corresponding radiating element, as an excitation electrical signal for this radiating element, an electrical signal which corresponds to a phase of the guided traveling wave as it exists at the line pattern which is coupled by the excitation link, the line d 'radiating elements and the delay line thus coupled to each other forming an antenna line.
  • each line pattern comprises at least one delay cell unit, this delay cell unit comprising at least a first variable capacitance capacitor, and at least one meander of conductive track which is combined with a second variable capacitance capacitor to produce a variable value of inductance. Then, the line pattern is arranged so that the individual command which is transmitted by the control unit to the control input of this line pattern determines capacitance values of the first and second capacitors.
  • the antenna which is proposed by the invention is of the antenna-array type, the direction of transmission or reception of which is selected by the individual command which is transmitted by the control unit to each pattern of delay line.
  • the antenna can therefore not have any moving part, and can also be particularly thin, in particular with a thickness of a few centimeters or less.
  • an antenna according to the invention can be manufactured using known, reliable and inexpensive technologies, such as printed circuit technologies, or PCB for "printed circuit board" in English.
  • coplanar printed circuit technology where a metallized surface which serves as a ground plane is coplanar with metallized portions which are intended to transmit useful signals, can be used.
  • the absence of reconfigurable materials such as ferrites or liquid crystals, and the absence of moving parts in the antenna ensure that it is functional in a wide temperature range.
  • the architecture of the antenna based on at least one delay line for which the delays which are produced by the line patterns are variable, implements a structure for addressing the electromagnetic signals to the radiating elements that is simple.
  • the array antenna further comprises a shielding structure which is arranged near the delay line, so as to at least partially obscure the radiation which is produced by the line patterns of that here, without significantly obscuring the emission radiations which are produced by the radiating elements coupled to the line patterns.
  • a shielding structure which is arranged near the delay line, so as to at least partially obscure the radiation which is produced by the line patterns of that here, without significantly obscuring the emission radiations which are produced by the radiating elements coupled to the line patterns.
  • the array antenna can comprise several juxtaposed lines of radiating elements, so as to form a matrix of radiating elements, each row of radiating elements being associated with at least one delay line which is dedicated to this row of radiating elements so as to form an antenna line separate from the other antenna lines.
  • the array antenna further comprises a phase shifter assembly which is adapted to transmit the same signal to be transmitted to the supply ends of all the delay lines, in accordance with variable phase shift values which are individually assigned to the lines. delayed by the control unit.
  • the delay line can be formed in at least one metallized surface of a printed circuit support, or "PCB", in particular by a coplanar printed circuit technology according to which an electrical signal transport track and an electrical ground track are formed in the same metallized surface.
  • the array antenna thus formed may have a thickness which is less than 10 cm, preferably less than 5 cm, measured perpendicular to the printed circuit support.
  • particularly robust and compact configurations can be obtained for the array antenna, when the radiating elements which are connected to the line patterns of the delay line by the excitation links, are carried by the same circuit carrier. printed as that of the delay line;
  • the excitation links can each include at least one variable coupling element, this variable coupling element having a control input adapted to receive a coupling intensity signal which is delivered by the control unit.
  • the variable coupling element is then arranged to vary an intensity of the electrical excitation signal as received by the radiating element which is coupled by the excitation link, relative to the electromagnetic signal as transmitted in the delay line by the line pattern which is coupled by the same link excitement;
  • each row pattern can comprise several delay cell units, for example four delay cell units, which are assembled in series. Then, the excitation link which is coupled to this line pattern can be electrically connected to the delay line between two of the delay cell units which are successive in the line pattern, or between the last of the cell units to. delay of the line pattern and the first of the delay cell units of the next line pattern in the delay line;
  • each radiating element can comprise at least one surface element, also called a pellet or “pad” in English, which is metallized or metallic, and which is coupled by continuous electrical connection or remotely coupled by electromagnetic interaction to the corresponding line pattern, so as to form the excitation link between this radiating element and this line pattern.
  • each radiating element can comprise several metallized or metallic surface elements, which are superimposed and all coupled to the excitation line of this radiating element, and which have different dimensions so as to produce radiation emission efficiencies which are maximum for radiation frequency values which are different between at least two of the surface elements of the same radiating element;
  • the same line of radiating elements can be associated with two delay lines, so that each radiating element of the line of radiating elements is coupled to receive a first electrical excitation signal from a line pattern which belongs to a first of the two delay lines, and to simultaneously receive a second electrical excitation signal from another line pattern which belongs to the other of the two delay lines.
  • a phase difference between the first and second electrical excitation signals which are received by the same radiating element determines a polarization of the emission radiation which is produced by that radiating element;
  • a step length of the radiating elements measured between any two radiating elements which are neighboring inside the antenna array, may be less than or equal to a smallest wavelength value in a transmission band antenna array, divided by the term (1 + sin (0max)), where 0max is a maximum value of the antenna pointing elevation angle.
  • the radio transmission signal which is produced by the array antenna then has good homogeneity, without array lobes which would be due to spectrum aliasing;
  • each delay line can extend between its supply end and a terminal end of this delay line, the supply end being provided with an impedance matching cell, and the terminal end being provided with a termination cell which has an impedance value substantially equal to a characteristic impedance value of the delay line.
  • the impedance matching cell and the terminating cell of each delay line can be formed in the same metallized surface of circuit board that the line patterns of this delay line.
  • a second aspect of the invention relates to a vehicle which comprises an array antenna according to the first aspect of the invention, this array antenna being installed on board the vehicle.
  • a vehicle can be, in particular, a land vehicle, a ship or an aircraft, in particular an airplane, a helicopter or a drone, including a drone with fixed airfoil or a drone of the multicopter type.
  • FIG. 1 is a simplified plan view of an array antenna according to the invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a delay cell unit which can be used in an array antenna according to the invention, with the circuit diagram which is equivalent to this cell;
  • FIG. 3a is a plan view of one possible embodiment for an excitation link and a radiator, intended to be coupled to a delay cell unit according to [Fig. 2];
  • FIG. 3b corresponds to [Fig. 3a] for an alternative embodiment
  • FIG. 4 is a perspective view of an antenna line forming part of an antenna array conforming to [Fig. 1] - [Fig. 3b];
  • FIG. 5 is a perspective view of a composite radiator which can be used in the array antenna of [Fig. 1]; [0025] [Fig. 6a] shows a possible connection method for supplying the electromagnetic signal to the delay lines of an array antenna according to the invention;
  • FIG. 6b shows another method of connection which is also possible for supplying the electromagnetic signal to the delay lines of an array antenna according to the invention
  • FIG. 7a shows another configuration which can be used for the array antenna of [Fig. 1], in order to obtain a radiation emission which is selective according to the polarization, for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3a];
  • FIG. 7b corresponds to [Fig. 7a], for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3b];
  • FIG. 8 is a radiation pattern obtained for an array antenna according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates a possible use of an array antenna according to the invention. Detailed description of the invention
  • microstrip printed circuit technology or "microstrip” in English
  • microstrip in English
  • the antenna array of the invention is formed from at least one, but preferably several antenna lines which are juxtaposed parallel to each other inside 'a plan of the antenna.
  • Each antenna line is formed from a delay line, the latter consisting of a rectilinear chain of line patterns, all identical within a single delay line and also identical between all the lines. antenna.
  • the line patterns are arranged in the antenna plane in a two-dimensional, preferably square, matrix, one direction of which is the direction of the length of the antenna lines, and the other direction is that of juxtaposition of the antenna lines.
  • FIG. 1 is a plan view of such an antenna array structure according to the invention.
  • L1, L2, L3 and L4 designate four delay lines which are neighboring in the array antenna 100
  • M11, M12 and M13 designate three successive first line patterns of the delay line L1, M21, M22 and M23 designate three successive first line patterns of the delay line L2
  • M31, M32 and M33 designate three successive first line patterns of the delay line L3
  • M41, M42 and M43 designate three successive first line patterns of the line L4 delay.
  • each delay line can contain 41 line patterns
  • the array antenna 100 can contain 42 delay lines.
  • Each delay line is associated with a line of radiating elements to form an antenna line, with a separate radiating element that is associated with each line pattern of the delay line.
  • the radiating element Eij is supplied with an excitation signal from the line pattern Mij, where i is an integer index which identifies the delay line, i.e. Li, and j is another integer index which is equal to the sequence number of the line pattern Mij within the delay line Li.
  • An excitation link Lij then connects an output side of the line pattern Mij to the element radiating Eij, to transmit to the latter the excitation signal which comes from the line pattern Mij.
  • All the radiating elements Eij can be identical to each other, as can all the excitation links Lij.
  • FIG. 2 shows a delay cell unit
  • the lower part of the same figure shows the electrical diagram which is equivalent to this delay cell unit.
  • M1 and M2 denote two metallized portions which are electrically connected to each other and to an electrical ground of the array antenna 100.
  • the portions M1 and M2 are arranged on opposite sides of metallized portions P1, P2 and P2 ', while being electrically insulated therefrom.
  • the portions P1, P2 and P2 ’ are intended to transmit an electromagnetic signal between the left and right edges of [Fig. 2], by applying a transmission delay to this signal.
  • the electromagnetic signal propagates along the delay line which is formed by the chain of delay cell units.
  • the portion P2 ' which is on the right edge of the delay cell unit shown is continuously extended into the portion P2 which is on the left edge of the next delay cell unit in the line direction L.
  • the corresponding lengths of insulation intervals between the portions M1 / M2 and P1 / P2, or P1 / P2 ' determine the phase variations to be produced in an equivalent manner by the sections of transmission lines T, and consequently the values length to be assigned to these sections T.
  • the width g of the insulation intervals between the portions P1 and P2 / P2 ', as well as their length W, determine capacitance values C se .
  • the length l s of meanders of the portion P1 protruding in the portions M1, M2, and the width S s of the isolation gap in these meanders determine an inductance value L S h.
  • the short-circuit connections m1 and m2 provide continuity of electrical ground function to the metallized portions M1 and M2 through the meanders which constitute the inductance L S h.
  • varactors V1 and V2 can be arranged to create bridges between the portions P1 and P2 / P2 '.
  • varactors V3 and V4 make it possible to make the value of the inductance L S h variable and controllable.
  • their connections and control devices are not shown.
  • the value of the capacitances Cse of a delay cell unit which is thus constituted can be varied by a control unit 1, denoted CTRL in [Fig.
  • each CRLH cell in the direction L can be 2.7 mm (millimeter), for example.
  • the maximum delay which is necessary between the excitation signals which are transmitted to two successive radiating elements Eij and Ei j + 1 can be obtained from four CRLH cells as described above.
  • These four delay cell units are arranged in series within the delay line Li, to form the line pattern Mij as considered above.
  • Such a line pattern Mij which is made up of several delay cell units can also be called a delay line macrocell.
  • each line pattern Only one of the delay cell units of each line pattern is coupled to a radiating element through the excitation line which is dedicated to that line pattern.
  • a condition of homogeneity of each delay line is that the length of each delay cell unit in that delay line is less than a quarter of the wavelength of the emitted radiation. Such a condition is verified for the digital values of the example described, the wavelength associated with the frequency of 14 GHz being equal to 21.4 mm.
  • FIG. 3a shows another printed circuit of coplanar technology, which constitutes the radiating element Eij and the excitation link Lij.
  • the radiating element Eij may consist of a metallized pellet, or “pad” in English, for example in the form of a disc 3 mm in diameter.
  • the diameter of the metallized pellet can be between 0.25l / h and 0.50l / h, where l denotes the wavelength of the emitted radiation, and n is the refractive index of the dielectric material of the printed circuit.
  • the value of 3 mm for the diameter of the metallized pellet corresponds to 0.347 l / h.
  • the metallized pellet can also be in the form of a square, for example with a side still 3 mm for the value of 14 GHz of the frequency of the radiation emitted.
  • the metallized portions Q1 and Q2 are arranged in series, the portion Q2 being intermediate between the portion Q1 and the radiating element Eij and continuous with the latter, to constitute the excitation link Lij.
  • the metallized portion M laterally surrounds the portions Q1 and Q2.
  • the two printed circuits of [Fig. 2] and [Fig. 3a] can be rotated in the same direction, so that the printed circuit substrate of [Fig. 3a] or intermediate between its metallized portions and those of the printed circuit of [Fig. 2] Then the conductive connection X1 connects the metallized portion Q1 to the metallized portion P2 '.
  • the conductive connections X2 and X5 connect the metallized portion M to the metallized portion M1, and the conductive connections X3 and X4 connect the metallized portion M to the metallized portion M2.
  • Another varactor, designated by V5 can connect the metallized portions Q1 and Q2 to one another within the excitation link. Lij to adjust an amplitude of the excitation signal which is transmitted from the line pattern Mij to the radiating element Eij.
  • Each varactor V5 has a suitable control device, and is connected so that its capacitance value is adjusted by control unit 1.
  • FIG. 4 schematically shows the antenna line which is thus formed from the delay line L1.
  • Reference 2 designates the dielectric substrate of the printed circuit in which the line patterns are formed, for example in the manner illustrated by [FIG. 1] and when each row pattern consists of four CRLH cells and a connecting segment to an excitation link.
  • Line patterns M11, M12 and M13 are shown, with associated radiating elements E11, E12 and E13.
  • a strip of the printed circuit which contains the delay line L1 can be enclosed in an electrically conductive formwork, to screen against the radiation that the delay line L1 could emit.
  • the conductive formwork of the delay line L1 may be composed of two formwork parts, a formwork part 21 which is arranged on the substrate 2, and a formwork part 22 which is arranged under the substrate 2, in alignment. with the formwork part 21.
  • the radiating elements are located outside these formwork parts 21 and 22, so that the radiation which is emitted by these radiating elements is not obscured.
  • the shuttering portions 21 and 22 thus form a shield structure which is selectively effective for the delay line L1. Openings can be provided in the formwork part 21, especially so that the shielding structure does not interfere with the electrical operation of the excitation links: the opening 011 is dedicated to the excitation link L11, the opening 012 to the excitation link L12, the opening 013 to the excitation link L13 ...
  • the formwork parts 21 and 22 can advantageously be electrically connected to the electrical ground of the array antenna 100, and in particular the part formwork 21 can be in direct contact with the metallized portions M1, M2 and M. Possibly, the formwork parts 21 and 22 can be copper, and also be made based on printed circuits. In this case, additional printed circuit substrates which are dedicated to the formwork parts 21 and 22 can be placed on either side of the substrate 2, forming a compact stack. Metallized strips can in particular form the surfaces of the shuttering parts 21 and 22 which are parallel to the substrates, and metal studs which are arranged through the substrates can act as surfaces oriented perpendicular to the substrates for them. formwork parts 21 and 22.
  • the contours which are indicated in broken lines in [Fig. 4] show the locations of the shield structures which are dedicated to the delay lines L2 and L3.
  • the excitation links Lij and the radiating elements Eij can be produced in the form of metallized pellets which are located on the same face of the printed circuit substrate 2 as the line patterns Mij delay lines Li. These pellets are aligned in the direction L, with a line of pellets between two delay lines Li which are adjacent.
  • the pads are electrically isolated from each other, and electrically isolated from all the metallized portions which constitute the delay lines (P1 and P2 / P2 'in [Fig. 2]) as well as from the metallized portions of electrical ground (M1 and M2 in [Fig. 2]). [Fig.
  • FIG. 3b shows a possible adaptation of the excitation link Lij, which is appropriate when the radiating elements Eij thus consist of isolated metallized pellets carried by the substrate 2.
  • the metallized portion Q2 of [Fig. 3a] can be extended in the form of a metallized line QL2, until projecting beyond the edge of the metallized pad of the radiating element Eij.
  • the previously described assembly of the substrate of [Fig. 2] with that of [Fig. 3a] can be used for the substrate of [Fig. 3b], so that the metallized line QL2 influences remotely, by electromagnetic interaction through the printed circuit substrate of the excitation link Lij (that of [Fig. 3b]), the chip of the radiating element Eij.
  • the position of the radiating element pad Eij, as effective when the substrates are assembled by the connections X1-X5, with respect to the metallized line QL2, is indicated by dashed lines in [Fig. 3b].
  • each metallized portion Q1 can be connected to one of the metallized portions P1 or P2 / P2 'by an electrical connection which passes through the printed circuit substrate 2, or by means of a wired electrical connection and of a metallized track which are added to pass over one of the metallized portions M1 and M2.
  • Such connection modes are commonly designated by “back biased circuit” in English and “top biased circuit”, respectively.
  • each radiating element Eij can be constituted by several metallized pellets of different sizes, for example five pellets Eij 0 to Eij 4 , which are superimposed from one of them forming a basic metallized pellet, as shown in [Fig. 5]. All the metallized pads of each radiating element Eij can be electrically isolated from each other.
  • the base pad, Eij 0 can be coupled through the excitation link Lij to the line pattern Mij in any of the ways illustrated by [Fig. 3a] and [Fig. 3b].
  • the upper pads, Eij 1 to Eij 4 in the example shown can be supplied with an excitation signal from the base pad Eij 0 , remotely by electromagnetic interaction.
  • each patch can be made on the surface of a different printed circuit substrate, and all the substrates are stacked on top of each other so as to superimpose the pads in the direction perpendicular to the substrates.
  • Such stacks dedicated to forming the radiating elements Eij can be housed between the formwork parts 21 which are dedicated to delay lines Li which are neighboring. For the example illustrated by [Fig.
  • the pellet Eij 0 is in the form of a disc and carried by the substrate 2
  • the pellet Eij 1 also in the form of a disc, is carried by the substrate 21
  • the pellet Eij 2 still in the form of a disc, is carried by the substrate 22
  • the pellet Eij 3 still in the form of a disc, is carried by the substrate 23
  • the pellet Eij 4 still in the form of a disc, is carried by the substrate 24.
  • the respective diameters of all these pellets Eij ° -Eij 4 can be between 0.25l / h and 0.50l / h.
  • each metallized pellet and the edge of that of the printed circuit surfaces in which it is located are shown with lines of the same type.
  • FIG. 6a] and [Fig. 6b] show two possible architectures for the signal supply of the delay lines by the control unit 1.
  • a supply end of each delay line is connected by a phase shifter assembly 3 to a signal output of the unit. control 1.
  • y denotes the phase of the electromagnetic signal as it arrives at the input of this phase shifter assembly 3.
  • FIG. 6a] corresponds to an architecture of the parallel type for the phase shifter assembly 3, in order to apply an identical phase shift Df between any two of the delay lines Li which are neighboring in the array antenna 100.
  • the value of phase shift Df determines the offset of the radiation which is emitted by the array antenna 100 in a plane which is perpendicular to the lines of radiating elements.
  • FIG. 6a is presented for four neighboring delay lines, but a person skilled in the art knows how to generalize the parallel architecture of phase shifters which is shown in this figure to the real number of antenna lines of the array antenna 100.
  • the references 0 , Df and 2 ⁇ Df designate phase shifters which are controlled to apply delays respectively equal to 0, Df and 2 ⁇ Df to the part of the signal which they each transmit.
  • [Fig. 6b] corresponds to [Fig. 6a] by replacing the parallel architecture of the phase shifter assembly 3 by a series architecture.
  • each MiO impedance matching cell can be produced with the same technology as that used for the line patterns Mij, but by suitably adapting the electrical parameters of this MiO cell with respect to those of the line patterns Mij .
  • the impedance matching cell Mi0 and all the line patterns Mij, j 1 0, can be produced simultaneously on the same printed circuit substrate.
  • the MiO impedance matching cell may have a structure of the same type as the CRLH cells, but with dimensions of metallized portions and widths of the intervals between these portions which are different.
  • each delay line Li can be terminated by a final cell MiC.
  • this final cell MiC is adapted to have an input impedance which is equal to the characteristic impedance of the chain of line patterns Mij.
  • the MiC final cells can advantageously be produced with the same technology as that used for the Mij line patterns, but by suitably adapting the electrical parameters of this MiC cell with respect to those of the Mij line patterns.
  • each antenna line is formed by two delay lines which are associated with the same line of radiating elements.
  • the radiating elements Eij are simultaneously supplied with an excitation signal from the two delay lines Li and Li '.
  • each radiating element Eij is connected to the line pattern Mij of the delay line Li by the excitation link Lij, and also connected to the line pattern Mij 'of the delay line Li' by the excitation link Lij '.
  • the radiating element Eij can be constituted by at least one metallized disc-shaped pellet, and the excitation links Lij and Lij 'reach the circumference of the disc at two places which are angularly spaced with respect to the center of the disc. Then, excitation signals which are transmitted respectively by the excitation links Lij and Lij ', and which are identical while being out of phase by an angle controlled by the control unit 1, cause an emission of radiation which is distributed between the two left and right circular polarizations. In particular, it is possible to produce the radiation exclusively with a left or right circular polarization, when the phase shift angle is equal to the angle between the excitation links Lij and Lij 'at the edge of the disk of the element. radiating Eij, or equal to the opposite of this angle.
  • the phase angle which is controlled by the control unit 1 is applied between the signals which are transmitted to the delay lines Li and Li ', at the level of the supply ends thereof.
  • These delay lines Li and Li ' can be arranged on either side of the line of radiating elements Eij, as shown in [Fig. 7a] and [Fig. 7b]. Alternatively, they can be superimposed on one another on the same side of the line of radiating elements Eij. In both cases, the delay lines Li and Li 'are preferably housed separately in respective shielding structures.
  • FIG. 7b] is equivalent to [Fig. 7a], for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3b].
  • FIG. 8 is a diagram which shows the variations of the power density which is radiated by the array antenna 100 in a meridian plane, for two values of elevation of the transmission-reception direction: 0 ° (line curve thin) and -60 ° (curve in thick lines).
  • the horizontal axis marks the values of the elevation angle, noted Q and measured with respect to the direction perpendicular to the antenna plane, and the vertical axis marks the values of the radiated power density, denoted D and expressed in dB (decibel).
  • the two curves show that a directivity value of at least 33 dBi is obtained in each case.
  • the directivity is defined as the maximum value of transmission power density per unit of solid angle, corresponding to the pointing direction of the array antenna 100, divided by the average value of this power density of emission over the whole complete solid angle interval, that is to say over 4 ⁇ p steradians.
  • FIG. 9 shows the array antenna 100 attached to the fuselage of an airplane 101, with the printed circuit substrate 2 which is parallel to the outer surface of the fuselage at the location of the array antenna 100.
  • the antenna -network 100 can then be used for data links between the aircraft 101 and a radio communication satellite 102, in particular for establishing internet communication links.
  • a data link may conform to the communication system which is known as "SATCOM On-The-Move".

Abstract

An array antenna (100) is formed from delay lines (L1, L2, L3...) and includes radiating elements (E11, E12, E21...) which are individually connected to line patterns (M11, M12, M21...) of the delay lines. Such an array antenna structure can be implemented by a printed circuit technology and can be used to establish radio links for data communication between a mobile carrier, such as an aircraft, and a geostationary satellite.

Description

Description Description
Titre : ANTENNE-RESEAU Title: ANTENNA-NETWORK
Domaine technique Technical area
[0001] La présente description concerne une antenne-réseau, qui peut être particulièrement adaptée pour établir une liaison radio dans l’une au moins des bandes de fréquence Ku et Ka, entre un porteur mobile et un satellite géostationnaire. [0001] The present description relates to an antenna array, which may be particularly suitable for establishing a radio link in at least one of the Ku and Ka frequency bands, between a mobile carrier and a geostationary satellite.
Technique antérieure Prior art
[0002] Les systèmes de communication désignés par «SATCOM On-The-Move» permettent d’établir une liaison de communication de type radio entre un porteur mobile et un satellite géostationnaire. Le porteur mobile peut être un véhicule terrestre, un navire maritime ou un aéronef, notamment un avion ou un drone. Pour des applications civiles, un tel système peut permettre de procurer une liaison internet à des passagers du porteur, y compris l’accès à des services de messagerie, des services télévisuels, etc. Pour des applications militaires, il peut procurer une liaison continue de communication entre un aéronef et des troupes au sol, ou entre un aéronef et un poste de contrôle de mission opérationnelle. [0002] The communication systems designated by "SATCOM On-The-Move" make it possible to establish a radio-type communication link between a mobile carrier and a geostationary satellite. The mobile carrier can be a land vehicle, a maritime vessel or an aircraft, in particular an airplane or a drone. For civilian applications, such a system can make it possible to provide an internet connection to carrier passengers, including access to messaging services, television services, etc. For military applications, it can provide a continuous communication link between an aircraft and troops on the ground, or between an aircraft and an operational mission control post.
[0003] L’utilisation des bandes de fréquence Ku, entre 12 GHz (gigahertz) 18 GHz, et Ka, entre 26,5 GHz et 40 GHz, pour de tels systèmes procure des débits de liaison de communication qui sont supérieurs, par rapport à d’autres bandes de fréquence utilisées antérieurement. Toutefois, les bandes de fréquence Ku et Ka nécessitent que les antennes qui sont utilisées à bord des porteurs aient des gains suffisamment élevés, notamment des valeurs de gain qui soient supérieures à 30 dBi, où dBi désigne l’unité de gain, en décibels par rapport à une antenne qui rayonnerait uniformément dans toutes les directions de l’espace, ou «décibels relative to isotropie» en anglais. The use of the Ku frequency bands, between 12 GHz (gigahertz) 18 GHz, and Ka, between 26.5 GHz and 40 GHz, for such systems provides communication link rates which are higher, compared to to other frequency bands previously used. However, the Ku and Ka frequency bands require that the antennas that are used on board carriers have sufficiently high gains, including gain values that are greater than 30 dBi, where dBi is the unit of gain, in decibels per compared to an antenna which radiates uniformly in all directions of space, or "decibels relative to isotropy" in English.
[0004] Par ailleurs, le porteur qui est équipé de l’antenne étant mobile, il est nécessaire que l’antenne puisse produire un dépointage en azimut de 0° (degré) à 360°, et un dépointage en élévation suffisamment important, par exemple de 0° à 60°. De tels dépointages sont mesurés par rapport à une direction de référence de l’antenne qui peut être destinée à être sensiblement parallèle à la direction verticale du lieu où se trouve le porteur, l’azimut concernant une rotation autour de la direction de référence, et l’élévation un angle qui est mesuré à partir de cette direction de référence dans un plan méridien. [0004] Furthermore, the carrier which is equipped with the antenna being mobile, it is necessary for the antenna to be able to produce a tilting in azimuth of 0 ° (degree) to 360 °, and a sufficiently large tilting in elevation, by example from 0 ° to 60 °. Such deflections are measured with respect to a reference direction of the antenna which may be intended to be substantially parallel to the vertical direction of the place where the device is located. carrier, azimuth pertaining to rotation about the reference direction, and elevation an angle which is measured from that reference direction in a meridian plane.
[0005] En outre, il peut être utile qu’une telle antenne soit sélective en fonction de la polarisation du rayonnement émis ou reçu. Pour cela, le gain de l’antenne doit posséder des valeurs différentes en fonction de la polarisation, avec un taux de réjection qui est suffisamment élevé pour la polarisation orthogonale à celle utilisée pour effectuer une liaison de communication. Les polarisations de rayonnement concernées peuvent être, par exemple, les polarisations circulaires droite et gauche, ou deux polarisations linéaires qui sont orientées perpendiculairement l’une à l’autre. [0005] In addition, it may be useful for such an antenna to be selective depending on the polarization of the radiation emitted or received. For this, the gain of the antenna must have different values depending on the polarization, with a rejection rate that is high enough for the polarization orthogonal to that used to make a communication link. The radiation polarizations involved can be, for example, the right and left circular polarizations, or two linear polarizations that are oriented perpendicular to each other.
[0006] Enfin, pour certaines applications, l’épaisseur de l’antenne est une contrainte supplémentaire, notamment lorsque l’antenne est destinée à être fixée sur le fuselage d’un avion, afin de réduire des perturbations d’écoulement aéraulique que peut provoquer l’antenne. Typiquement, des valeurs d’épaisseur qui sont inférieures à quelques centimètres sont requises pour de telles applications à bord d’un avion. Finally, for certain applications, the thickness of the antenna is an additional constraint, in particular when the antenna is intended to be fixed on the fuselage of an aircraft, in order to reduce air flow disturbances that can cause the antenna. Typically, thickness values that are less than a few centimeters are required for such applications on board an aircraft.
[0007] De nombreux types d’antennes ont déjà été proposés, y compris des antennes à dépointage entièrement mécanique, des antennes à dépointage mixte, c’est-à-dire partiellement par mouvement d’orientation et partiellement par effet de réseau à déphasage variable, des antennes à réseau bidimensionnel d’éléments rayonnants, des antennes à réseau d’éléments réfléchissants, des antennes à matériaux reconfigurables, par exemple à base de ferrites ou de cristaux liquides, etc. Mais toutes ces antennes ne répondent que partiellement à l’ensemble des contraintes existantes, y compris des contraintes de fragilité, notamment lorsque l’antenne possède des parties mobiles, des contraintes d’encombrement, des contraintes de gain qui soit suffisamment élevé, des contraintes de coût, des contraintes de température de fonctionnement, etc. [0007] Many types of antennas have already been proposed, including antennas with fully mechanical deflection, antennas with mixed deflection, that is to say partially by orientation movement and partially by phase-shifting network effect variable, antennas with a two-dimensional array of radiating elements, antennas with an array of reflecting elements, antennas with reconfigurable materials, for example based on ferrites or liquid crystals, etc. But all these antennas only partially meet all the existing constraints, including constraints of fragility, in particular when the antenna has moving parts, size constraints, gain constraints which is sufficiently high, constraints cost, operating temperature constraints, etc.
Problème technique Technical problem
[0008] A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer une nouvelle antenne qui satisfasse l’une au moins des contraintes précitées dans une mesure améliorée, ou qui procure un compromis entre certaines de ces contraintes qui soit amélioré par rapport aux antennes existantes. En particulier, l’invention peut viser à proposer une telle antenne qui soit appropriée pour fournir des liaisons de communication radio dans la (les) bande(s) de fréquence Ku et/ou Ka, entre un porteur mobile et un satellite géostationnaire. [0008] From this situation, an aim of the present invention is to provide a new antenna which satisfies at least one of the aforementioned constraints to an improved extent, or which provides a compromise between some of these constraints which is improved by compared to existing antennas. In particular, the invention may aim to provide such an antenna which is suitable for providing communication links. radio in the Ku and / or Ka frequency band (s), between a mobile carrier and a geostationary satellite.
Résumé de l’invention Summary of the invention
[0009] Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose une antenne-réseau qui comprend : [0009] To achieve at least one of these goals or another, a first aspect of the invention provides an array antenna which comprises:
- au moins une ligne d’éléments rayonnants, chaque élément rayonnant étant adapté pour produire individuellement une radiation d’émission à partir d’un signal électrique d’excitation qui est reçu par cet élément rayonnant ; - at least one line of radiating elements, each radiating element being adapted to individually produce an emission radiation from an electrical excitation signal which is received by this radiating element;
- une unité de contrôle faisant fonction de formateur de faisceau ; - a control unit acting as a beam former;
- au moins une ligne à retard, qui est constituée par un assemblage en série de motifs de ligne, chaque motif de ligne étant adapté pour retransmettre un signal électromagnétique qui est reçu en entrée par ce motif de ligne, avec un retard variable au motif de ligne suivant à l’intérieur de la ligne à retard, de sorte que le signal électromagnétique constitue une onde progressive guidée qui se propage le long de la ligne à retard à partir d’une extrémité d’alimentation de cette ligne à retard, et chaque motif de ligne étant pourvu d’au moins une entrée de commande permettant de varier le retard qui est produit par ce motif de ligne pour le signal électromagnétique ; et - at least one delay line, which is constituted by a series assembly of line patterns, each line pattern being adapted to retransmit an electromagnetic signal which is received at input by this line pattern, with a variable delay on the basis of line within the delay line, so that the electromagnetic signal is a guided traveling wave which propagates along the delay line from a supply end of this delay line, and each line pattern being provided with at least one control input making it possible to vary the delay which is produced by this line pattern for the electromagnetic signal; and
- des liaisons d’excitation, couplant un-à-un chaque motif de ligne de la ligne à retard à un des éléments rayonnants de la ligne des éléments rayonnants, chaque liaison d’excitation étant adaptée pour transmettre à l’élément rayonnant correspondant, en tant que signal électrique d’excitation pour cet élément rayonnant, un signal électrique qui correspond à une phase de l’onde progressive guidée telle qu’existant au niveau du motif de ligne qui est couplé par la liaison d’excitation, la ligne d’éléments rayonnants et la ligne à retard ainsi couplées l’une à l’autre formant une ligne d’antenne. - excitation links, coupling each line pattern of the delay line one by one to one of the radiating elements of the line of radiating elements, each excitation link being adapted to transmit to the corresponding radiating element, as an excitation electrical signal for this radiating element, an electrical signal which corresponds to a phase of the guided traveling wave as it exists at the line pattern which is coupled by the excitation link, the line d 'radiating elements and the delay line thus coupled to each other forming an antenna line.
[0010] En outre, l'unité de contrôle est adaptée pour transmettre à l’au moins une entrée de commande de chaque motif de ligne, une commande individuelle qui détermine une valeur du retard qui est produit par ce motif de ligne pour le signal électromagnétique, de sorte que l’unité de contrôle détermine, par l’intermédiaire des commandes individuelles, une direction d’émission de rayonnement par l’antenne-réseau. [0011] Dans l’antenne-réseau de l’invention, chaque motif de ligne comprend au moins une unité de cellule à retard, cette unité de cellule à retard comprenant au moins un premier condensateur à capacité variable, et au moins un méandre de piste conductrice qui est combiné avec un second condensateur à capacité variable pour produire une valeur variable d’inductance. Alors, le motif de ligne est agencé de sorte que la commande individuelle qui est transmise par l’unité de contrôle à l’entrée de commande de ce motif de ligne détermine des valeurs de capacité des premier et second condensateurs. In addition, the control unit is adapted to transmit to the at least one control input of each line pattern, an individual command which determines a value of the delay which is produced by this line pattern for the signal. electromagnetic, so that the control unit determines, by means of individual commands, a direction of emission of radiation by the array antenna. In the array antenna of the invention, each line pattern comprises at least one delay cell unit, this delay cell unit comprising at least a first variable capacitance capacitor, and at least one meander of conductive track which is combined with a second variable capacitance capacitor to produce a variable value of inductance. Then, the line pattern is arranged so that the individual command which is transmitted by the control unit to the control input of this line pattern determines capacitance values of the first and second capacitors.
[0012] Ainsi, l’antenne qui est proposée par l’invention est de type antenne-réseau, dont la direction d’émission ou de réception est sélectionnée par la commande individuelle qui est transmise par l’unité de contrôle à chaque motif de ligne à retard. L’antenne peut donc ne posséder aucune partie mobile, et peut en outre être particulièrement mince, notamment avec une épaisseur de quelques centimètres ou moins. Par ailleurs, une antenne conforme à l’invention peut être fabriquée en utilisant des technologies connues, fiables et peu onéreuses, telles que des technologies de circuit imprimé, ou PCB pour «printed circuit board» en anglais. En particulier, la technologie de circuit imprimé coplanaire, où une surface métallisée qui sert de plan de masse est coplanaire avec des portions métallisées qui sont destinées à transmettre des signaux utiles, peut être utilisée. Enfin, l’absence de matériaux reconfigurables tels que des ferrites ou des cristaux liquides, et l’absence de parties mobiles dans l’antenne assurent qu’elle soit fonctionnelle dans un large domaine de température. Thus, the antenna which is proposed by the invention is of the antenna-array type, the direction of transmission or reception of which is selected by the individual command which is transmitted by the control unit to each pattern of delay line. The antenna can therefore not have any moving part, and can also be particularly thin, in particular with a thickness of a few centimeters or less. Furthermore, an antenna according to the invention can be manufactured using known, reliable and inexpensive technologies, such as printed circuit technologies, or PCB for "printed circuit board" in English. In particular, coplanar printed circuit technology, where a metallized surface which serves as a ground plane is coplanar with metallized portions which are intended to transmit useful signals, can be used. Finally, the absence of reconfigurable materials such as ferrites or liquid crystals, and the absence of moving parts in the antenna ensure that it is functional in a wide temperature range.
[0013] Enfin, l’architecture de l’antenne, à base d’au moins une ligne à retard pour laquelle les retards qui sont produits par les motifs de ligne sont variables, met en œuvre une structure d’adressage des signaux électromagnétiques aux éléments rayonnants qui est simple. Finally, the architecture of the antenna, based on at least one delay line for which the delays which are produced by the line patterns are variable, implements a structure for addressing the electromagnetic signals to the radiating elements that is simple.
[0014] Selon l’invention, l’antenne-réseau comprend en outre une structure de blindage qui est disposée à proximité de la ligne à retard, de façon à occulter au moins partiellement des rayonnements qui sont produits par les motifs de ligne de celle-ci, sans occulter significativement les radiations d’émission qui sont produites par les éléments rayonnants couplés aux motifs de ligne. Ainsi, des contributions parasites aux signaux radio émis par l’antenne-réseau, qui seraient produites par les motifs de ligne de chaque ligne à retard, sont réduits. De cette façon, la qualité des signaux de communication qui sont émis et/ou reçus par l’antenne-réseau est supérieure. Pour cela, chaque liaison d’excitation peut s’étendre à travers une ouverture de la structure de blindage, cette ouverture étant située entre le motif de ligne et l’élément rayonnant qui sont couplés l’un à l’autre par la liaison d’excitation correspondante. According to the invention, the array antenna further comprises a shielding structure which is arranged near the delay line, so as to at least partially obscure the radiation which is produced by the line patterns of that here, without significantly obscuring the emission radiations which are produced by the radiating elements coupled to the line patterns. Thus, spurious contributions to the radio signals emitted by the array antenna, which would be produced by the line patterns of each delay line, are reduced. In this way, the quality of the communication signals which are transmitted and / or received by the array antenna is greater. For this, each excitation link can extend through an opening in the shielding structure, this opening being located between the line pattern and the radiating element which are coupled to each other by the link d corresponding excitement.
[0015] Pour obtenir une directivité d’émission-réception pour l’antenne-réseau en azimut et en élévation, l’antenne-réseau peut comprendre plusieurs lignes juxtaposées d’éléments rayonnants, de façon à former une matrice d’éléments rayonnants, chaque ligne d’éléments rayonnants étant associée avec au moins une ligne à retard qui est dédiée à cette ligne d’éléments rayonnants de façon à former une ligne d’antenne séparée des autres lignes d’antenne. Dans ce cas, l’antenne-réseau comprend en outre un ensemble déphaseur qui est adapté pour transmettre un même signal à émettre aux extrémités d’alimentation de toutes les lignes à retard, conformément à des valeurs variables de déphasage qui sont affectées individuellement aux lignes à retard par l’unité de contrôle. To obtain a transmission-reception directivity for the array antenna in azimuth and in elevation, the array antenna can comprise several juxtaposed lines of radiating elements, so as to form a matrix of radiating elements, each row of radiating elements being associated with at least one delay line which is dedicated to this row of radiating elements so as to form an antenna line separate from the other antenna lines. In this case, the array antenna further comprises a phase shifter assembly which is adapted to transmit the same signal to be transmitted to the supply ends of all the delay lines, in accordance with variable phase shift values which are individually assigned to the lines. delayed by the control unit.
[0016] Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles : [0016] In preferred embodiments of the invention, at least one of the following additional characteristics can be optionally reproduced, alone or in combination of several of them:
- la ligne à retard peut être formée dans au moins une surface métallisée d’un support de circuit imprimé, ou «PCB», notamment par une technologie coplanaire de circuit imprimé selon laquelle une piste de transport de signal électrique et une piste de masse électrique sont formées dans une même surface métallisée. Dans ce cas, l’antenne-réseau ainsi constituée peut avoir une épaisseur qui est inférieure à 10 cm, de préférence inférieure à 5 cm, mesurée perpendiculairement au support de circuit imprimé. En outre, des configurations particulièrement robustes et compactes peuvent être obtenues pour l’antenne-réseau, lorsque les éléments rayonnants qui sont connectés aux motifs de ligne de la ligne à retard par les liaisons d’excitation, sont portés par le même support de circuit imprimé que celui de la ligne à retard; - the delay line can be formed in at least one metallized surface of a printed circuit support, or "PCB", in particular by a coplanar printed circuit technology according to which an electrical signal transport track and an electrical ground track are formed in the same metallized surface. In this case, the array antenna thus formed may have a thickness which is less than 10 cm, preferably less than 5 cm, measured perpendicular to the printed circuit support. In addition, particularly robust and compact configurations can be obtained for the array antenna, when the radiating elements which are connected to the line patterns of the delay line by the excitation links, are carried by the same circuit carrier. printed as that of the delay line;
- certaines au moins des liaisons d’excitation peuvent comporter chacune au moins un élément de couplage variable, cet élément de couplage variable ayant une entrée de commande adaptée pour recevoir un signal d’intensité de couplage qui est délivré par l’unité de contrôle. L’élément de couplage variable est alors agencé pour varier une intensité du signal électrique d’excitation tel que reçu par l’élément rayonnant qui est couplé par la liaison d’excitation, par rapport au signal électromagnétique tel que transmis dans la ligne à retard par le motif de ligne qui couplé par la même liaison d’excitation ; at least some of the excitation links can each include at least one variable coupling element, this variable coupling element having a control input adapted to receive a coupling intensity signal which is delivered by the control unit. The variable coupling element is then arranged to vary an intensity of the electrical excitation signal as received by the radiating element which is coupled by the excitation link, relative to the electromagnetic signal as transmitted in the delay line by the line pattern which is coupled by the same link excitement;
- chaque motif de ligne peut comprendre plusieurs unités de cellule à retard, par exemple quatre unités de cellule à retard, qui sont assemblées en série. Alors, la liaison d’excitation qui est couplée à ce motif de ligne peut être connectée électriquement à la ligne à retard entre deux des unités de cellule à retard qui sont successives dans le motif de ligne, ou entre la dernière des unités de cellule à retard du motif de ligne et la première des unités de cellule à retard du motif de ligne suivant dans la ligne à retard ; each row pattern can comprise several delay cell units, for example four delay cell units, which are assembled in series. Then, the excitation link which is coupled to this line pattern can be electrically connected to the delay line between two of the delay cell units which are successive in the line pattern, or between the last of the cell units to. delay of the line pattern and the first of the delay cell units of the next line pattern in the delay line;
- chaque élément rayonnant peut comprendre au moins un élément de surface, aussi appelé pastille ou «pad» en anglais, qui est métallisé ou métallique, et qui est couplé par liaison électrique continue ou couplé à distance par interaction électromagnétique au motif de ligne correspondant, de façon à former la liaison d’excitation entre cet élément rayonnant et ce motif de ligne. Eventuellement, chaque élément rayonnant peut comprendre plusieurs éléments de surface métallisés ou métalliques, qui sont superposés et tous couplés à la ligne d’excitation de cet élément rayonnant, et qui ont des dimensions différentes de façon à produire des efficacités d’émission de rayonnement qui sont maximales pour des valeurs de fréquence du rayonnement qui sont différentes entre au moins deux des éléments de surface d’un même élément rayonnant; - each radiating element can comprise at least one surface element, also called a pellet or “pad” in English, which is metallized or metallic, and which is coupled by continuous electrical connection or remotely coupled by electromagnetic interaction to the corresponding line pattern, so as to form the excitation link between this radiating element and this line pattern. Optionally, each radiating element can comprise several metallized or metallic surface elements, which are superimposed and all coupled to the excitation line of this radiating element, and which have different dimensions so as to produce radiation emission efficiencies which are maximum for radiation frequency values which are different between at least two of the surface elements of the same radiating element;
- une même ligne d’éléments rayonnants peut être associée à deux lignes à retard, de sorte que chaque élément rayonnant de la ligne des éléments rayonnants soit couplé pour recevoir un premier signal électrique d’excitation de la part d’un motif de ligne qui appartient à une première des deux lignes à retard, et pour recevoir simultanément un second signal électrique d’excitation de la part d’un autre motif de ligne qui appartient à l’autre des deux lignes à retard. Ainsi, une différence de phase entre les premier et second signaux électriques d’excitation qui sont reçus par le même élément rayonnant détermine une polarisation de la radiation d’émission qui est produite par cet élément rayonnant ; - the same line of radiating elements can be associated with two delay lines, so that each radiating element of the line of radiating elements is coupled to receive a first electrical excitation signal from a line pattern which belongs to a first of the two delay lines, and to simultaneously receive a second electrical excitation signal from another line pattern which belongs to the other of the two delay lines. Thus, a phase difference between the first and second electrical excitation signals which are received by the same radiating element determines a polarization of the emission radiation which is produced by that radiating element;
- une longueur de pas des éléments rayonnants, mesurée entre deux éléments rayonnants quelconques qui sont voisins à l’intérieur de l’antenne-réseau, peut être inférieure ou égale à une valeur de longueur d’onde la plus petite dans une bande de transmission de l’antenne-réseau, divisée par le terme (1+sin(0max)), où 0max est une valeur maximale d’angle d’élévation du pointage de l’antenne. Le signal d’émission radio qui est produit par l’antenne-réseau possède alors une bonne homogénéité, sans lobes de réseau qui seraient dus à des repliements de spectre ; et - a step length of the radiating elements, measured between any two radiating elements which are neighboring inside the antenna array, may be less than or equal to a smallest wavelength value in a transmission band antenna array, divided by the term (1 + sin (0max)), where 0max is a maximum value of the antenna pointing elevation angle. The radio transmission signal which is produced by the array antenna then has good homogeneity, without array lobes which would be due to spectrum aliasing; and
- chaque ligne à retard peut s’étendre entre son extrémité d’alimentation et une extrémité terminale de cette ligne à retard, l’extrémité d’alimentation étant pourvue d’une cellule d’adaptation d’impédance, et l’extrémité terminale étant pourvue d’une cellule de terminaison qui possède une valeur d’impédance sensiblement égale à une valeur d’impédance caractéristique de la ligne à retard. Dans ce cas, et lorsque qu’une technologie de circuit imprimé est utilisée pour fabriquer l’antenne-réseau, la cellule d’adaptation d’impédance et la cellule de terminaison de chaque ligne à retard peuvent être formées dans la même surface métallisée de circuit imprimé que les motifs de ligne de cette ligne à retard. - each delay line can extend between its supply end and a terminal end of this delay line, the supply end being provided with an impedance matching cell, and the terminal end being provided with a termination cell which has an impedance value substantially equal to a characteristic impedance value of the delay line. In this case, and when a printed circuit technology is used to fabricate the array antenna, the impedance matching cell and the terminating cell of each delay line can be formed in the same metallized surface of circuit board that the line patterns of this delay line.
[0017] Enfin, un second aspect de l’invention concerne un véhicule qui comprend une antenne-réseau conforme au premier aspect de l’invention, cette antenne-réseau étant installée à bord du véhicule. Un tel véhicule peut être, en particulier, un véhicule terrestre, un navire ou un aéronef, notamment un avion, un hélicoptère ou un drone, y compris un drone à voilure portante fixe ou un drone de type multicoptère. Finally, a second aspect of the invention relates to a vehicle which comprises an array antenna according to the first aspect of the invention, this array antenna being installed on board the vehicle. Such a vehicle can be, in particular, a land vehicle, a ship or an aircraft, in particular an airplane, a helicopter or a drone, including a drone with fixed airfoil or a drone of the multicopter type.
Brève description des figures Brief description of the figures
[0018] Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : The characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly in the detailed description below of non-limiting embodiments, with reference to the appended figures, among which:
[0019] [Fig. 1] est une vue en plan simplifiée d’une antenne-réseau conforme à l’invention ; [0019] [Fig. 1] is a simplified plan view of an array antenna according to the invention;
[0020] [Fig. 2] est une vue en plan d’une unité de cellule à retard qui peut être utilisée dans une antenne-réseau conforme à l’invention, avec le schéma électrique qui est équivalent à cette cellule ; [0020] [Fig. 2] is a plan view of a delay cell unit which can be used in an array antenna according to the invention, with the circuit diagram which is equivalent to this cell;
[0021] [Fig. 3a] est une vue en plan d’un mode de réalisation possible pour une liaison d’excitation et un élément rayonnant, destinés à être couplés à une unité de cellule à retard conforme à [Fig. 2] ; [0021] [Fig. 3a] is a plan view of one possible embodiment for an excitation link and a radiator, intended to be coupled to a delay cell unit according to [Fig. 2];
[0022] [Fig. 3b] correspond à [Fig. 3a] pour une variante de réalisation ; [0023] [Fig. 4] est une vue en perspective d’une ligne d’antenne faisant partie d’une antenne-réseau conforme à [Fig. 1]-[Fig. 3b] ; [0022] [Fig. 3b] corresponds to [Fig. 3a] for an alternative embodiment; [0023] [Fig. 4] is a perspective view of an antenna line forming part of an antenna array conforming to [Fig. 1] - [Fig. 3b];
[0024] [Fig. 5] est une vue en perspective d’un élément rayonnant composite qui peut être utilisé dans l’antenne-réseau de [Fig. 1] ; [0025] [Fig. 6a] montre un mode de connexion possible pour l’alimentation en signal électromagnétique des lignes à retard d’une antenne-réseau conforme à l’invention ; [0024] [Fig. 5] is a perspective view of a composite radiator which can be used in the array antenna of [Fig. 1]; [0025] [Fig. 6a] shows a possible connection method for supplying the electromagnetic signal to the delay lines of an array antenna according to the invention;
[0026] [Fig. 6b] montre un autre mode de connexion aussi possible pour l’alimentation en signal électromagnétique des lignes à retard d’une antenne-réseau conforme à l’invention ; [0027] [Fig. 7a] montre une autre configuration qui peut être utilisée pour l’antenne- réseau de [Fig. 1], afin d’obtenir une émission de rayonnement qui soit sélective en fonction de la polarisation, pour le mode de réalisation des liaisons d’excitation de [Fig. 3a] ; [0026] [Fig. 6b] shows another method of connection which is also possible for supplying the electromagnetic signal to the delay lines of an array antenna according to the invention; [0027] [Fig. 7a] shows another configuration which can be used for the array antenna of [Fig. 1], in order to obtain a radiation emission which is selective according to the polarization, for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3a];
[0028] [Fig. 7b] correspond à [Fig. 7a], pour le mode de réalisation des liaisons d’excitation de [Fig. 3b] ; [0028] [Fig. 7b] corresponds to [Fig. 7a], for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3b];
[0029] [Fig. 8] est un diagramme de rayonnement obtenu pour une antenne-réseau conforme à l’invention ; et [0029] [Fig. 8] is a radiation pattern obtained for an array antenna according to the invention; and
[0030] [Fig. 9] illustre une utilisation possible d’une antenne-réseau conforme à l’invention. Description détaillée de l’invention [0030] [Fig. 9] illustrates a possible use of an array antenna according to the invention. Detailed description of the invention
[0031] Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement, et des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. For the sake of clarity, the dimensions of the elements which are shown in these figures do not correspond to actual dimensions, nor to actual dimensional ratios. In addition, some of these elements are represented only symbolically, and identical references which are indicated in different figures designate identical elements or which have identical functions.
[0032] L’invention est maintenant décrite en référence à une réalisation de celle-ci en technologie de circuit imprimé coplanaire, étant entendu qu’une technologie de circuit imprimé à microbande, ou «microstrip» en anglais, peut aussi être utilisée. Bien que l’utilisation de telles technologies de circuit imprimé soit particulièrement adaptée et économique, d’autres technologies de fabrication peuvent encore être utilisées alternativement. The invention is now described with reference to an embodiment thereof in coplanar printed circuit technology, it being understood that a microstrip printed circuit technology, or "microstrip" in English, can also be used. Although the use of such printed circuit technologies is particularly suitable and economical, other manufacturing technologies can still be used alternatively.
[0033] L’antenne-réseau de l’invention, désignée par la référence 100, est formée à partir d’au moins une, mais de préférence plusieurs lignes d’antenne qui sont juxtaposées parallèlement les unes aux autres à l’intérieur d’un plan de l’antenne. Chaque ligne d’antenne est formée à partir d’une ligne à retard, cette dernière étant constituée d’une chaîne rectiligne de motifs de ligne, tous identiques à l’intérieur d’une même ligne à retard et aussi identiques entre toutes les lignes d’antenne. Les motifs de ligne sont agencés dans le plan d’antenne selon une matrice bidimensionnelle, de préférence carrée, dont une direction est la direction de longueur des lignes d’antenne, et l’autre direction est celle de juxtaposition des lignes d’antenne. [Fig. 1] est une vue en plan d’une telle structure d’antenne-réseau conforme à l’invention. Dans cette figure, L1, L2, L3 et L4 désignent quatre lignes à retard qui sont voisines dans l’antenne-réseau 100, M11, M12 et M13 désignent trois premiers motifs de ligne successifs de la ligne à retard L1, M21, M22 et M23 désignent trois premiers motifs de ligne successifs de la ligne à retard L2, M31, M32 et M33 désignent trois premiers motifs de ligne successifs de la ligne à retard L3, et M41, M42 et M43 désignent trois premiers motifs de ligne successifs de la ligne à retard L4. Par exemple, chaque ligne à retard peut contenir 41 motifs de ligne, et l’antenne-réseau 100 peut contenir 42 lignes à retard. The antenna array of the invention, designated by the reference 100, is formed from at least one, but preferably several antenna lines which are juxtaposed parallel to each other inside 'a plan of the antenna. Each antenna line is formed from a delay line, the latter consisting of a rectilinear chain of line patterns, all identical within a single delay line and also identical between all the lines. antenna. The line patterns are arranged in the antenna plane in a two-dimensional, preferably square, matrix, one direction of which is the direction of the length of the antenna lines, and the other direction is that of juxtaposition of the antenna lines. [Fig. 1] is a plan view of such an antenna array structure according to the invention. In this figure, L1, L2, L3 and L4 designate four delay lines which are neighboring in the array antenna 100, M11, M12 and M13 designate three successive first line patterns of the delay line L1, M21, M22 and M23 designate three successive first line patterns of the delay line L2, M31, M32 and M33 designate three successive first line patterns of the delay line L3, and M41, M42 and M43 designate three successive first line patterns of the line L4 delay. For example, each delay line can contain 41 line patterns, and the array antenna 100 can contain 42 delay lines.
[0034] Chaque ligne à retard est associée à une ligne d’éléments rayonnants pour former une ligne d’antenne, avec un élément rayonnant séparé qui est associé à chaque motif de ligne de la ligne à retard. Ainsi, de façon générale, l’élément rayonnant Eij est alimenté en signal d’excitation à partir du motif de ligne Mij, où i est un indice entier qui identifie la ligne à retard, c’est-à-dire Li, et j est un autre indice entier qui est égal au numéro d’ordre du motif de ligne Mij à l’intérieur de la ligne à retard Li. Une liaison d’excitation Lij connecte alors un côté de sortie du motif de ligne Mij à l’élément rayonnant Eij, pour transmettre à ce dernier le signal d’excitation qui est issu du motif de ligne Mij. Tous les éléments rayonnants Eij peuvent être identiques entre eux, de même que toutes les liaisons d’excitation Lij. Each delay line is associated with a line of radiating elements to form an antenna line, with a separate radiating element that is associated with each line pattern of the delay line. Thus, generally speaking, the radiating element Eij is supplied with an excitation signal from the line pattern Mij, where i is an integer index which identifies the delay line, i.e. Li, and j is another integer index which is equal to the sequence number of the line pattern Mij within the delay line Li. An excitation link Lij then connects an output side of the line pattern Mij to the element radiating Eij, to transmit to the latter the excitation signal which comes from the line pattern Mij. All the radiating elements Eij can be identical to each other, as can all the excitation links Lij.
[0035] On décrit maintenant des modes de réalisation possibles pour les composants de l’antenne-réseau 100 qui viennent d’être introduits : une structure possible de motif de ligne, plusieurs modèles possibles d’élément rayonnant, puis deux modèles possibles de liaison d’excitation. We now describe possible embodiments for the components of the antenna array 100 which have just been introduced: a possible pattern structure of line, several possible models of radiating element, then two possible models of excitation link.
[0036] La partie supérieure de [Fig. 2] montre une unité de cellule à retard, et la partie inférieure de la même figure montre le schéma électrique qui est équivalent à cette unité de cellule à retard. Sur un substrat de circuit imprimé de technologie coplanaire, M1 et M2 désignent deux portions métallisées qui sont connectées électriquement l’une à l’autre et à une masse électrique de l’antenne-réseau 100. Les portions M1 et M2 sont disposées sur des côtés opposées de portions métallisées P1, P2 et P2’, tout en étant isolées électriquement de celles-ci. Les portions P1, P2 et P2’ sont destinées à transmettre un signal électromagnétique entre les bords gauche et droit de [Fig. 2], en appliquant un retard de transmission à ce signal. Ainsi, le signal électromagnétique se propage le long de la ligne à retard qui est constituée par l’enchaînement des unités de cellule à retard. La portion P2’ qui est sur le bord droit de l’unité de cellule à retard représentée se prolonge continûment en la portion P2 qui est sur le bord gauche de l’unité de cellule à retard suivante selon la direction de ligne L. Alternativement, la portion P2’ se prolonge continûment au bord gauche d’un segment de la ligne à retard qui est dédié à la connexion d’une des liaisons d’excitation à la sortie de l’unité de cellule à retard représentée. The upper part of [Fig. 2] shows a delay cell unit, and the lower part of the same figure shows the electrical diagram which is equivalent to this delay cell unit. On a coplanar technology printed circuit substrate, M1 and M2 denote two metallized portions which are electrically connected to each other and to an electrical ground of the array antenna 100. The portions M1 and M2 are arranged on opposite sides of metallized portions P1, P2 and P2 ', while being electrically insulated therefrom. The portions P1, P2 and P2 ’are intended to transmit an electromagnetic signal between the left and right edges of [Fig. 2], by applying a transmission delay to this signal. Thus, the electromagnetic signal propagates along the delay line which is formed by the chain of delay cell units. The portion P2 'which is on the right edge of the delay cell unit shown is continuously extended into the portion P2 which is on the left edge of the next delay cell unit in the line direction L. Alternatively, the portion P2 'extends continuously to the left edge of a segment of the delay line which is dedicated to the connection of one of the excitation links to the output of the delay cell unit shown.
[0037] De façon connue, les intervalles d’isolation entre les portions M1, M2 d’une part et les portions P1, P2 d’autre part, ainsi que l’intervalle d’isolation entre les portions P1 et P2, de même que celui entre les portions P1 et P2’, avec la forme de ces intervalles, déterminent les caractéristiques électriques de l’unité de cellule à retard, et par suite la valeur du retard que produit de cette unité de cellule à retard lorsqu’elle transmet le signal électromagnétique de son bord gauche à son bord droit. Plus précisément, la largeur S de l’intervalle d’isolation entre chacune des portions P1 et P2 d’une part et chacune des portions M1 et M2 d’autre part, et la largeur de piste W, déterminent l’impédance caractéristique de tronçons de lignes de transmission T de l’unité de cellule à retard. Les longueurs correspondantes d’intervalles d’isolation entre les portions M1/M2 et P1/P2, ou P1/P2’, déterminent les variations de phase à produire de façon équivalente par les tronçons de lignes de transmission T, et par suite les valeurs de longueur à attribuer à ces tronçons T. Par ailleurs, la largeur g des intervalles d’isolation entre les portions P1 et P2/P2’, ainsi que leur longueur W, déterminent des valeurs de capacités Cse. En outre, la longueur ls de méandres de la portion P1 en saillance dans les portions M1, M2, et la largeur Ss de l’intervalle d’isolation dans ces méandres, déterminent une valeur d’inductance LSh. Les liaisons de court-circuit m1 et m2 assurent une continuité de fonction de masse électrique aux portions métallisées M1 et M2 à travers les méandres qui constituent l’inductance LSh. Pour rendre variables et contrôlables les valeurs des capacités Cse, des varactors V1 et V2 peuvent être disposés pour créer des ponts entre les portions P1 et P2/P2’. De même, des varactors V3 et V4 permettent de rendre variable et contrôlable la valeur de l’inductance LSh. Le fonctionnement des composants varactors étant bien connu, leurs connexions et dispositifs de contrôle ne sont pas représentés. Typiquement, la valeur des capacités Cse d’une unité de cellule à retard qui est ainsi constituée peut être variée par une unité de contrôle 1, notée CTRL dans [Fig. 1], entre 0,3 pF (picofarad) et 1,2 pF, et la valeur de l’inductance LSh peut être variée par l’unité de contrôle 1 entre 0,11 nH (nanohenry) et 0,33 nH. Dans le schéma électrique équivalent à l’unité de cellule à retard qui vient d’être décrite, les tronçons de lignes de transmission T, les capacités de valeur Cse et l’inductance de valeur LSh sont connectées électriquement comme cela apparaît dans la partie inférieure de [Fig. 2] Dans la littérature, une telle unité de cellule à retard est couramment appelé cellule CRLH, pour «Composite Right Left Handed» en anglais. Son principe de fonctionnement électrique est très connu, si bien qu’il n’est pas nécessaire de le décrire plus ici. La longueur de chaque cellule CRLH selon la direction L peut être de 2,7 mm (millimètre), par exemple. In known manner, the insulation intervals between the portions M1, M2 on the one hand and the portions P1, P2 on the other hand, as well as the insulation interval between the portions P1 and P2, likewise that that between the portions P1 and P2 ', with the shape of these intervals, determine the electrical characteristics of the delay cell unit, and consequently the value of the delay produced by this delay cell unit when it transmits the electromagnetic signal from its left edge to its right edge. More precisely, the width S of the insulation gap between each of the portions P1 and P2 on the one hand and each of the portions M1 and M2 on the other hand, and the track width W, determine the characteristic impedance of sections of transmission lines T of the delay cell unit. The corresponding lengths of insulation intervals between the portions M1 / M2 and P1 / P2, or P1 / P2 ', determine the phase variations to be produced in an equivalent manner by the sections of transmission lines T, and consequently the values length to be assigned to these sections T. Moreover, the width g of the insulation intervals between the portions P1 and P2 / P2 ', as well as their length W, determine capacitance values C se . In addition, the length l s of meanders of the portion P1 protruding in the portions M1, M2, and the width S s of the isolation gap in these meanders, determine an inductance value L S h. The short-circuit connections m1 and m2 provide continuity of electrical ground function to the metallized portions M1 and M2 through the meanders which constitute the inductance L S h. To make the values of the capacitors C se variable and controllable, varactors V1 and V2 can be arranged to create bridges between the portions P1 and P2 / P2 '. Likewise, varactors V3 and V4 make it possible to make the value of the inductance L S h variable and controllable. As the operation of varactor components is well known, their connections and control devices are not shown. Typically, the value of the capacitances Cse of a delay cell unit which is thus constituted can be varied by a control unit 1, denoted CTRL in [Fig. 1], between 0.3 pF (picofarad) and 1.2 pF, and the value of the inductance L S h can be varied by the control unit 1 between 0.11 nH (nanohenry) and 0.33 nH . In the electric diagram equivalent to the delay cell unit which has just been described, the sections of transmission lines T, the capacitors of value Cse and the inductance of value L S h are electrically connected as shown in the diagram. lower part of [Fig. 2] In the literature, such a delay cell unit is commonly called a CRLH cell, for “Composite Right Left Handed” in English. Its electrical operating principle is well known, so it is not necessary to describe it further here. The length of each CRLH cell in the direction L can be 2.7 mm (millimeter), for example.
[0038] Pour obtenir une amplitude de variation de +/-600 pour la direction d’émission de l’antenne-réseau 100, dans un plan qui contient la direction L et qui est perpendiculaire au plan de l’antenne, pour une fréquence du rayonnement émis qui est égale à 14 GHz dans la bande Ku, le retard maximal qui est nécessaire entre les signaux d’excitation qui sont transmis à deux éléments rayonnants successifs Eij et Ei j+1 peut être obtenu à partir de quatre cellules CRLH telles que décrites précédemment. Ces quatre unités de cellule à retard sont agencées en série au sein de la ligne à retard Li, pour former le motif de ligne Mij tel que considéré plus haut. Un tel motif de ligne Mij qui est constitué de plusieurs unités de cellule à retard peut aussi être appelé macrocellule de la ligne à retard. Une seule des unités de cellule à retard de chaque motif de ligne est couplée à un élément rayonnant par la ligne d’excitation qui est dédiée à ce motif de ligne. La longueur de chaque motif de ligne à quatre cellules CRLH, selon la direction L, est alors 4 x 2,7 mm = 10,8 mm. Une condition d’homogénéité de chaque ligne à retard est que la longueur de chaque unité de cellule à retard dans cette ligne à retard soit inférieure au quart de la longueur d’onde du rayonnement émis. Une telle condition est vérifiée pour les valeurs numériques de l’exemple décrit, la longueur d’onde associée à la fréquence de 14 GHz étant égale à 21 ,4 mm. To obtain an amplitude of variation of +/- 60 0 for the direction of emission of the array antenna 100, in a plane which contains the direction L and which is perpendicular to the plane of the antenna, for a frequency of the emitted radiation which is equal to 14 GHz in the Ku band, the maximum delay which is necessary between the excitation signals which are transmitted to two successive radiating elements Eij and Ei j + 1 can be obtained from four CRLH cells as described above. These four delay cell units are arranged in series within the delay line Li, to form the line pattern Mij as considered above. Such a line pattern Mij which is made up of several delay cell units can also be called a delay line macrocell. Only one of the delay cell units of each line pattern is coupled to a radiating element through the excitation line which is dedicated to that line pattern. The length of each line pattern with four CRLH cells, in direction L, is then 4 x 2.7 mm = 10.8 mm. A condition of homogeneity of each delay line is that the length of each delay cell unit in that delay line is less than a quarter of the wavelength of the emitted radiation. Such a condition is verified for the digital values of the example described, the wavelength associated with the frequency of 14 GHz being equal to 21.4 mm.
[0039] [Fig. 3a] montre un autre circuit imprimé de technologie coplanaire, qui constitue l’élément rayonnant Eij et la liaison d’excitation Lij. Dans une réalisation simple de l’élément rayonnant Eij, celui-ci peut être constitué par une pastille métallisée, ou «pad» en anglais, par exemple en forme de disque de 3 mm de diamètre. De façon générale, le diamètre de la pastille métallisée peut être compris entre 0,25·l/h et 0,50·l/h, où l désigne la longueur d’onde du rayonnement émis, et n est l’indice de réfraction du matériau diélectrique du circuit imprimé. Si la fréquence du rayonnement émis est 14 GHz, et la valeur de l’indice de réfraction n du matériau diélectrique est égale à 6,151/2, alors la valeur de 3 mm pour le diamètre de la pastille métallisée correspond à 0,347·l/h. Alternativement, la pastille métallisée peut aussi être en forme de carré, par exemple de 3 mm de côté encore pour la valeur de 14 GHz de la fréquence du rayonnement émis. Les portions métallisées Q1 et Q2 sont disposées en série, la portion Q2 étant intermédiaire entre la portion Q1 et l’élément rayonnant Eij et continue avec ce dernier, pour constituer la liaison d’excitation Lij. La portion métallisée M entoure latéralement les portions Q1 et Q2. Un circuit imprimé du type illustré par [Fig. 3a] est alors destiné à être fixé sur le circuit imprimé de la ligne à retard, entre deux unités de cellule à retard qui sont successives, par des connexions conductrices électriquement X1-X5, sélectivement après celle des unités de cellule à retard dont le signal électromagnétique est destiné à être transmis à l’élément rayonnant concerné. Par exemple, les deux circuits imprimés de [Fig. 2] et [Fig. 3a] peuvent être tournés dans un même sens, de sorte que le substrat du circuit imprimé de [Fig. 3a] soit intermédiaire entre ses portions métallisées et celles du circuit imprimé de [Fig. 2] Alors la connexion conductrice X1 relie la portion métallisée Q1 à la portion métallisée P2’. Simultanément, les connexions conductrices X2 et X5 relient la portion métallisée M à la portion métallisée M1, et les connexions conductrices X3 et X4 relient la portion métallisée M à la portion métallisée M2. Un autre varactor, désigné par V5, peut connecter l’une à l’autre les portions métallisées Q1 et Q2 au sein de la liaison d’excitation Lij pour ajuster une amplitude du signal d’excitation qui est transmis à partir du motif de ligne Mij à l'élément rayonnant Eij. Chaque varactor V5 possède un dispositif de commande approprié, et est connecté pour que sa valeur de capacité soit ajustée par l’unité de contrôle 1. [0039] [Fig. 3a] shows another printed circuit of coplanar technology, which constitutes the radiating element Eij and the excitation link Lij. In a simple embodiment of the radiating element Eij, the latter may consist of a metallized pellet, or “pad” in English, for example in the form of a disc 3 mm in diameter. In general, the diameter of the metallized pellet can be between 0.25l / h and 0.50l / h, where l denotes the wavelength of the emitted radiation, and n is the refractive index of the dielectric material of the printed circuit. If the frequency of the emitted radiation is 14 GHz, and the value of the refractive index n of the dielectric material is equal to 6.15 1/2 , then the value of 3 mm for the diameter of the metallized pellet corresponds to 0.347 l / h. Alternatively, the metallized pellet can also be in the form of a square, for example with a side still 3 mm for the value of 14 GHz of the frequency of the radiation emitted. The metallized portions Q1 and Q2 are arranged in series, the portion Q2 being intermediate between the portion Q1 and the radiating element Eij and continuous with the latter, to constitute the excitation link Lij. The metallized portion M laterally surrounds the portions Q1 and Q2. A printed circuit of the type illustrated by [Fig. 3a] is then intended to be fixed on the printed circuit of the delay line, between two delay cell units which are successive, by electrically conductive connections X1-X5, selectively after that of the delay cell units whose signal electromagnetic is intended to be transmitted to the radiating element concerned. For example, the two printed circuits of [Fig. 2] and [Fig. 3a] can be rotated in the same direction, so that the printed circuit substrate of [Fig. 3a] or intermediate between its metallized portions and those of the printed circuit of [Fig. 2] Then the conductive connection X1 connects the metallized portion Q1 to the metallized portion P2 '. Simultaneously, the conductive connections X2 and X5 connect the metallized portion M to the metallized portion M1, and the conductive connections X3 and X4 connect the metallized portion M to the metallized portion M2. Another varactor, designated by V5, can connect the metallized portions Q1 and Q2 to one another within the excitation link. Lij to adjust an amplitude of the excitation signal which is transmitted from the line pattern Mij to the radiating element Eij. Each varactor V5 has a suitable control device, and is connected so that its capacitance value is adjusted by control unit 1.
[0040] [Fig. 4] montre schématiquement la ligne d’antenne qui est ainsi constituée à partir de la ligne à retard L1. La référence 2 désigne le substrat diélectrique du circuit imprimé dans lequel sont formés les motifs de ligne, par exemple de la façon illustrée par [Fig. 1] et lorsque chaque motif de ligne est constitué par quatre cellules CRLH et un segment de connexion à une liaison d’excitation. Les motifs de ligne M11, M12 et M13 sont indiqués, avec les éléments rayonnants associés E11, E12 et E13. Une bande du circuit imprimé qui contient la ligne à retard L1 peut être enfermée dans un coffrage conducteur électrique, pour faire écran à du rayonnement que pourrait émettre la ligne à retard L1. Par exemple, le coffrage conducteur de la ligne à retard L1 peut être composé de deux parties de coffrage, une partie de coffrage 21 qui est agencée sur le substrat 2, et une partie de coffrage 22 qui est agencée sous le substrat 2, en alignement avec la partie de coffrage 21. Les éléments rayonnants sont situés en dehors de ces parties de coffrage 21 et 22, de sorte que le rayonnement qui est émis par ces éléments rayonnants ne soit pas occulté. Les parties de coffrage 21 et 22 forment ainsi une structure de blindage qui est effective sélectivement pour la ligne à retard L1. Des ouvertures peuvent être prévues dans la partie de coffrage 21, spécialement pour que la structure de blindage n’entrave pas le fonctionnement électrique des liaisons d’excitation : l’ouverture 011 est dédiée à la liaison d’excitation L11, l’ouverture 012 à la liaison d’excitation L12, l’ouverture 013 à la liaison d’excitation L13... Les parties de coffrage 21 et 22 peuvent être avantageusement connectées électriquement à la masse électrique de l’antenne-réseau 100, et notamment la partie de coffrage 21 peut être en contact direct avec les portions métallisées M1 , M2 et M. Possiblement, les parties de coffrage 21 et 22 peuvent être en cuivre, et être aussi réalisées à base de circuits imprimés. Dans ce cas, des substrats de circuit imprimé additionnels qui sont dédiés aux parties de coffrage 21 et 22 peuvent être disposés de part et d’autre du substrat 2, en formant un empilement compact. Des bandes métallisées peuvent notamment former les surfaces des parties de coffrage 21 et 22 qui sont parallèles aux substrats, et des plots métalliques qui sont disposés à travers les substrats peuvent faire fonction de surfaces orientées perpendiculairement aux substrats pour les parties de coffrage 21 et 22. Les contours qui sont indiqués en traits interrompus dans [Fig. 4] montrent les emplacements des structures de blindage qui sont dédiées aux lignes à retard L2 et L3. [0040] [Fig. 4] schematically shows the antenna line which is thus formed from the delay line L1. Reference 2 designates the dielectric substrate of the printed circuit in which the line patterns are formed, for example in the manner illustrated by [FIG. 1] and when each row pattern consists of four CRLH cells and a connecting segment to an excitation link. Line patterns M11, M12 and M13 are shown, with associated radiating elements E11, E12 and E13. A strip of the printed circuit which contains the delay line L1 can be enclosed in an electrically conductive formwork, to screen against the radiation that the delay line L1 could emit. For example, the conductive formwork of the delay line L1 may be composed of two formwork parts, a formwork part 21 which is arranged on the substrate 2, and a formwork part 22 which is arranged under the substrate 2, in alignment. with the formwork part 21. The radiating elements are located outside these formwork parts 21 and 22, so that the radiation which is emitted by these radiating elements is not obscured. The shuttering portions 21 and 22 thus form a shield structure which is selectively effective for the delay line L1. Openings can be provided in the formwork part 21, especially so that the shielding structure does not interfere with the electrical operation of the excitation links: the opening 011 is dedicated to the excitation link L11, the opening 012 to the excitation link L12, the opening 013 to the excitation link L13 ... The formwork parts 21 and 22 can advantageously be electrically connected to the electrical ground of the array antenna 100, and in particular the part formwork 21 can be in direct contact with the metallized portions M1, M2 and M. Possibly, the formwork parts 21 and 22 can be copper, and also be made based on printed circuits. In this case, additional printed circuit substrates which are dedicated to the formwork parts 21 and 22 can be placed on either side of the substrate 2, forming a compact stack. Metallized strips can in particular form the surfaces of the shuttering parts 21 and 22 which are parallel to the substrates, and metal studs which are arranged through the substrates can act as surfaces oriented perpendicular to the substrates for them. formwork parts 21 and 22. The contours which are indicated in broken lines in [Fig. 4] show the locations of the shield structures which are dedicated to the delay lines L2 and L3.
[0041] Pour un mode de réalisation alternatif des liaisons d’excitation Lij et des éléments rayonnants Eij, ces derniers peuvent être réalisés sous forme de pastilles métallisées qui sont situées sur la même face du substrat de circuit imprimé 2 que les motifs de ligne Mij des lignes à retard Li. Ces pastilles sont alignées selon la direction L, avec une ligne de pastilles entre deux lignes à retard Li qui sont voisines. Les pastilles sont isolées électriquement les unes des autres, et isolées électriquement de toutes les portions métallisées qui constituent les lignes à retard (P1 et P2/P2’ dans [Fig. 2]) ainsi que des portions métallisées de masse électrique (M1 et M2 dans [Fig. 2]). [Fig. 3b] montre une adaptation possible de la liaison d’excitation Lij, qui est appropriée lorsque les éléments rayonnants Eij sont ainsi constitués de pastilles métallisées isolées et portées par le substrat 2. La portion métallisée Q2 de [Fig. 3a] peut être prolongée sous forme d’une ligne métallisée QL2, jusqu’à dépasser en projection le bord de la pastille métallisée de l’élément rayonnant Eij. L’assemblage décrit antérieurement du substrat de [Fig. 2] avec celui de [Fig. 3a] peut être repris pour le substrat de [Fig. 3b], de sorte que la ligne métallisée QL2 influence à distance, par interaction électromagnétique à travers le substrat du circuit imprimé de la liaison d’excitation Lij (celui de [Fig. 3b]), la pastille de l’élément rayonnant Eij. La position de la pastille de l’élément rayonnant Eij, telle qu’effective lorsque les substrats sont assemblés par les connexions X1-X5, par rapport à la ligne métallisée QL2, est indiquée en traits interrompus dans [Fig. 3b]. For an alternative embodiment of the excitation links Lij and the radiating elements Eij, the latter can be produced in the form of metallized pellets which are located on the same face of the printed circuit substrate 2 as the line patterns Mij delay lines Li. These pellets are aligned in the direction L, with a line of pellets between two delay lines Li which are adjacent. The pads are electrically isolated from each other, and electrically isolated from all the metallized portions which constitute the delay lines (P1 and P2 / P2 'in [Fig. 2]) as well as from the metallized portions of electrical ground (M1 and M2 in [Fig. 2]). [Fig. 3b] shows a possible adaptation of the excitation link Lij, which is appropriate when the radiating elements Eij thus consist of isolated metallized pellets carried by the substrate 2. The metallized portion Q2 of [Fig. 3a] can be extended in the form of a metallized line QL2, until projecting beyond the edge of the metallized pad of the radiating element Eij. The previously described assembly of the substrate of [Fig. 2] with that of [Fig. 3a] can be used for the substrate of [Fig. 3b], so that the metallized line QL2 influences remotely, by electromagnetic interaction through the printed circuit substrate of the excitation link Lij (that of [Fig. 3b]), the chip of the radiating element Eij. The position of the radiating element pad Eij, as effective when the substrates are assembled by the connections X1-X5, with respect to the metallized line QL2, is indicated by dashed lines in [Fig. 3b].
[0042] D’autres modes de réalisation peuvent encore être utilisés pour réaliser les liaisons d’excitation Eij. En particulier, chaque portion métallisée Q1 peut être connectée à l’une des portions métallisées P1 ou P2/P2’ par une connexion électrique qui traverse le substrat de circuit imprimé 2, ou par l’intermédiaire d’une connexion électrique filaire et d’une piste métallisée qui sont ajoutées pour passer au-dessus de l’une des portions métallisées M1 et M2. De tels modes de connexion sont couramment désignés par «back biased circuit» en anglais et «top biased circuit», respectivement. [0042] Other embodiments can still be used to make the Eij excitation links. In particular, each metallized portion Q1 can be connected to one of the metallized portions P1 or P2 / P2 'by an electrical connection which passes through the printed circuit substrate 2, or by means of a wired electrical connection and of a metallized track which are added to pass over one of the metallized portions M1 and M2. Such connection modes are commonly designated by “back biased circuit” in English and “top biased circuit”, respectively.
[0043] Possiblement, chaque élément rayonnant Eij peut être constitué par plusieurs pastilles métallisées de tailles différentes, par exemple cinq pastilles Eij0 à Eij4, qui sont superposées à partir de l’une d’elles formant pastille métallisée de base, comme représenté dans [Fig. 5]. Toutes les pastilles métallisées de chaque élément rayonnant Eij peuvent être isolées électriquement les unes des autres. La pastille de base, Eij0, peut être couplée par la liaison d’excitation Lij au motif de ligne Mij de l’une des façons illustrées par [Fig. 3a] et [Fig. 3b]. Les pastilles supérieures, Eij1 à Eij4 dans l’exemple représenté, peuvent être alimentées en signal d’excitation à partir de la pastille de base Eij0, à distance par interaction électromagnétique. Les différentes pastilles du même élément rayonnant Eij ont des fréquences de résonance qui sont différentes, du fait de leurs tailles respectives différentes, si bien que chaque élément rayonnant composite qui est ainsi constitué peut être efficace pour émettre dans une bande de fréquence élargie. Par exemple, chaque pastille peut être réalisée à la surface d’un substrat différent de circuit imprimé, et tous les substrats sont empilés les uns sur les autres de façon à superposer les pastilles selon la direction perpendiculaire aux substrats. De tels empilements dédiés à former les éléments rayonnants Eij peuvent être logés entre les parties de coffrage 21 qui sont dédiées à des lignes à retard Li qui sont voisines. Pour l’exemple illustré par [Fig. 5], la pastille Eij0 est en forme de disque et portée par le substrat 2, la pastille Eij1, aussi en forme de disque, est portée par le substrat 21 , la pastille Eij2, encore en forme de disque, est portée par le substrat 22, la pastille Eij3, encore en forme de disque, est portée par le substrat 23, et enfin la pastille Eij4, encore en forme de disque, est portée par le substrat 24. Les diamètres respectifs de toutes ces pastilles Eij°-Eij4 peuvent être compris entre 0,25·l/h et 0,50·l/h. Dans [Fig. 5], chaque pastille métallisée et le bord de celle des surfaces de circuits imprimés dans laquelle elle se trouve sont représentés avec les traits d’un même type. Possibly, each radiating element Eij can be constituted by several metallized pellets of different sizes, for example five pellets Eij 0 to Eij 4 , which are superimposed from one of them forming a basic metallized pellet, as shown in [Fig. 5]. All the metallized pads of each radiating element Eij can be electrically isolated from each other. The base pad, Eij 0 , can be coupled through the excitation link Lij to the line pattern Mij in any of the ways illustrated by [Fig. 3a] and [Fig. 3b]. The upper pads, Eij 1 to Eij 4 in the example shown, can be supplied with an excitation signal from the base pad Eij 0 , remotely by electromagnetic interaction. The different pellets of the same radiating element Eij have resonant frequencies which are different, due to their respective different sizes, so that each composite radiating element which is thus constituted can be effective to emit in a widened frequency band. For example, each patch can be made on the surface of a different printed circuit substrate, and all the substrates are stacked on top of each other so as to superimpose the pads in the direction perpendicular to the substrates. Such stacks dedicated to forming the radiating elements Eij can be housed between the formwork parts 21 which are dedicated to delay lines Li which are neighboring. For the example illustrated by [Fig. 5], the pellet Eij 0 is in the form of a disc and carried by the substrate 2, the pellet Eij 1 , also in the form of a disc, is carried by the substrate 21, the pellet Eij 2 , still in the form of a disc, is carried by the substrate 22, the pellet Eij 3 , still in the form of a disc, is carried by the substrate 23, and finally the pellet Eij 4 , still in the form of a disc, is carried by the substrate 24. The respective diameters of all these pellets Eij ° -Eij 4 can be between 0.25l / h and 0.50l / h. In [Fig. 5], each metallized pellet and the edge of that of the printed circuit surfaces in which it is located are shown with lines of the same type.
[0044] [Fig. 6a] et [Fig. 6b] montrent deux architectures possibles pour l’alimentation en signal des lignes à retard par l’unité de contrôle 1. Une extrémité d’alimentation de chaque ligne à retard est connectée par un ensemble déphaseur 3 à une sortie de signal de l’unité de contrôle 1. Dans les deux figures, y désigne la phase du signal électromagnétique tel qu’il parvient à l’entrée de cet ensemble déphaseur 3. [Fig. 6a] correspond à une architecture du type parallèle pour l’ensemble déphaseur 3, afin d’appliquer un déphasage identique Df entre deux quelconques des lignes à retard Li qui sont voisines dans l’antenne-réseau 100. De façon connue, la valeur de déphasage Df détermine le dépointage du rayonnement qui est émis par l’antenne-réseau 100 dans un plan qui est perpendiculaire aux lignes d’éléments rayonnants. Pour raison de simplicité, [Fig. 6a] est présentée pour quatre lignes à retard voisines, mais l’Homme du métier sait généraliser l’architecture parallèle de déphaseurs qui est montrée dans cette figure au nombre réel de lignes d’antenne de l’antenne-réseau 100. Les mentions 0, Df et 2·Df désignent des déphaseurs qui sont commandés pour appliquer des retards respectivement égaux à 0, Df et 2·Df à la partie du signal qu’ils transmettent chacun. [Fig. 6b] correspond à [Fig. 6a] en remplaçant l’architecture parallèle de l’ensemble déphaseur 3 par une architecture série. En outre, pour permettre une transmission efficace du signal entre les déphaseurs et les lignes à retard, chaque ligne à retard Li peut être pourvue à son extrémité d’alimentation d’une cellule d’adaptation d’impédance notée MiO, pour i = 1, 2, 3,... L’utilisation d’une telle cellule d’adaptation d’impédance est connue de l’Homme du métier, si bien qu’il n’est pas nécessaire d’en répéter le principe ici. Avantageusement, chaque cellule d’adaptation d’impédance MiO peut être réalisée avec la même technologie que celle utilisée pour les motifs de ligne Mij, mais en adaptant de façon appropriée les paramètres électriques de cette cellule MiO par rapport à ceux des motifs de ligne Mij. Par exemple, pour chaque ligne à retard Li, la cellule d’adaptation d’impédance MiO et tous les motifs de ligne Mij, j ¹ 0, peuvent être réalisés simultanément sur un même substrat de circuit imprimé. Possiblement, la cellule d’adaptation d’impédance MiO peut avoir une structure de même type que les cellules CRLH, mais avec des dimensions de portions métallisées et des largeurs d’intervalles entre ces portions qui sont différentes. [0044] [Fig. 6a] and [Fig. 6b] show two possible architectures for the signal supply of the delay lines by the control unit 1. A supply end of each delay line is connected by a phase shifter assembly 3 to a signal output of the unit. control 1. In the two figures, y denotes the phase of the electromagnetic signal as it arrives at the input of this phase shifter assembly 3. [Fig. 6a] corresponds to an architecture of the parallel type for the phase shifter assembly 3, in order to apply an identical phase shift Df between any two of the delay lines Li which are neighboring in the array antenna 100. In a known manner, the value of phase shift Df determines the offset of the radiation which is emitted by the array antenna 100 in a plane which is perpendicular to the lines of radiating elements. For the sake of simplicity, [Fig. 6a] is presented for four neighboring delay lines, but a person skilled in the art knows how to generalize the parallel architecture of phase shifters which is shown in this figure to the real number of antenna lines of the array antenna 100. The references 0 , Df and 2 · Df designate phase shifters which are controlled to apply delays respectively equal to 0, Df and 2 · Df to the part of the signal which they each transmit. [Fig. 6b] corresponds to [Fig. 6a] by replacing the parallel architecture of the phase shifter assembly 3 by a series architecture. In addition, to allow efficient transmission of the signal between the phase shifters and the delay lines, each delay line Li can be provided at its supply end with an impedance matching cell denoted Mi0, for i = 1 , 2, 3, ... The use of such an impedance matching cell is known to those skilled in the art, so that it is not necessary to repeat the principle here. Advantageously, each MiO impedance matching cell can be produced with the same technology as that used for the line patterns Mij, but by suitably adapting the electrical parameters of this MiO cell with respect to those of the line patterns Mij . For example, for each delay line Li, the impedance matching cell Mi0 and all the line patterns Mij, j ¹ 0, can be produced simultaneously on the same printed circuit substrate. Possibly, the MiO impedance matching cell may have a structure of the same type as the CRLH cells, but with dimensions of metallized portions and widths of the intervals between these portions which are different.
[0045] Enfin, pour éviter un brouillage du signal radio émis par l’antenne-réseau 100, qui serait causé par une réflexion du signal électromagnétique transmis le long de chaque ligne à retard sur l’extrémité de celle-ci qui est opposée à son extrémité d’alimentation, chaque ligne à retard Li peut être terminée par une cellule finale MiC. De façon connue, cette cellule finale MiC est adaptée pour posséder une impédance d’entrée qui est égale à l’impédance caractéristique de la chaîne des motifs de ligne Mij. Comme pour les cellules d’adaptation d’impédance MiO, les cellules finales MiC peuvent avantageusement être réalisées avec la même technologie que celle utilisée pour les motifs de ligne Mij, mais en adaptant de façon appropriée les paramètres électriques de cette cellule MiC par rapport à ceux des motifs de ligne Mij. [0046] Les modes de réalisation de [Fig. 7a] et [Fig. 7b] permettent d’émettre et de détecter du rayonnement de façon sélective par rapport à une polarisation de ce rayonnement qui est circulaire gauche ou circulaire droite. Pour cela, chaque ligne d’antenne est constituée par deux lignes à retard qui sont associées à la même ligne d’éléments rayonnants. Ainsi, les éléments rayonnants Eij sont alimentés simultanément en signal d’excitation à partir des deux lignes à retard Li et Li’. Pour le mode de réalisation de [Fig. 7a], chaque élément rayonnant Eij est connecté au motif de ligne Mij de la ligne à retard Li par la liaison d’excitation Lij, et aussi connecté au motif de ligne Mij’ de la ligne à retard Li’ par la liaison d’excitation Lij’. L’élément rayonnant Eij peut être constitué par au moins une pastille métallisée en forme de disque, et les liaisons d’excitation Lij et Lij’ parviennent à la circonférence du disque à deux endroits qui sont écartés angulairement par rapport au centre du disque. Alors, des signaux d’excitation qui sont transmis respectivement par les liaisons d’excitation Lij et Lij’, et qui sont identiques tout en étant déphasés d’un angle commandé par l’unité de contrôle 1, provoquent une émission de rayonnement qui est répartie entre les deux polarisations circulaires gauche et droite. Notamment, il est possible de produire le rayonnement exclusivement avec une polarisation circulaire gauche ou droite, lorsque l’angle de déphasage est égal à l’angle entre les liaisons d’excitation Lij et Lij’ au niveau du bord du disque de l’élément rayonnant Eij, ou égal à l’opposé de cet angle. En fait, l’angle de déphasage qui est commandé par l’unité de contrôle 1 est appliqué entre les signaux qui sont transmis aux lignes à retard Li et Li’, au niveau des extrémités d’alimentation de celles-ci. Ces lignes à retard Li et Li’ peuvent être disposées de part et d’autre de la ligne des éléments rayonnants Eij, comme représenté dans [Fig. 7a] et [Fig. 7b]. Alternativement, elles peuvent être superposées l’une à l’autre sur un même côté de la ligne des éléments rayonnants Eij. Dans les deux cas, les lignes à retard Li et Li’ sont logées de préférence séparément dans des structures de blindage respectives. [Fig. 7b] est équivalente à [Fig. 7a], pour le mode de réalisation des liaisons d’excitation de [Fig. 3b]. Finally, to avoid jamming of the radio signal emitted by the array antenna 100, which would be caused by a reflection of the electromagnetic signal transmitted along each delay line on the end thereof which is opposite to its supply end, each delay line Li can be terminated by a final cell MiC. In a known manner, this final cell MiC is adapted to have an input impedance which is equal to the characteristic impedance of the chain of line patterns Mij. As for the MiO impedance matching cells, the MiC final cells can advantageously be produced with the same technology as that used for the Mij line patterns, but by suitably adapting the electrical parameters of this MiC cell with respect to those of the Mij line patterns. The embodiments of [Fig. 7a] and [Fig. 7b] make it possible to emit and detect radiation selectively with respect to a polarization of this radiation which is left circular or right circular. For this, each antenna line is formed by two delay lines which are associated with the same line of radiating elements. Thus, the radiating elements Eij are simultaneously supplied with an excitation signal from the two delay lines Li and Li '. For the embodiment of [Fig. 7a], each radiating element Eij is connected to the line pattern Mij of the delay line Li by the excitation link Lij, and also connected to the line pattern Mij 'of the delay line Li' by the excitation link Lij '. The radiating element Eij can be constituted by at least one metallized disc-shaped pellet, and the excitation links Lij and Lij 'reach the circumference of the disc at two places which are angularly spaced with respect to the center of the disc. Then, excitation signals which are transmitted respectively by the excitation links Lij and Lij ', and which are identical while being out of phase by an angle controlled by the control unit 1, cause an emission of radiation which is distributed between the two left and right circular polarizations. In particular, it is possible to produce the radiation exclusively with a left or right circular polarization, when the phase shift angle is equal to the angle between the excitation links Lij and Lij 'at the edge of the disk of the element. radiating Eij, or equal to the opposite of this angle. In fact, the phase angle which is controlled by the control unit 1 is applied between the signals which are transmitted to the delay lines Li and Li ', at the level of the supply ends thereof. These delay lines Li and Li 'can be arranged on either side of the line of radiating elements Eij, as shown in [Fig. 7a] and [Fig. 7b]. Alternatively, they can be superimposed on one another on the same side of the line of radiating elements Eij. In both cases, the delay lines Li and Li 'are preferably housed separately in respective shielding structures. [Fig. 7b] is equivalent to [Fig. 7a], for the embodiment of the excitation links of [Fig. 3b].
[0047] [Fig. 8] est un diagramme qui montre les variations de la densité de puissance qui est rayonnée par l’antenne-réseau 100 dans un plan méridien, pour deux valeurs d’élévation de la direction d’émission-réception : 0° (courbe en trait fin) et -60° (courbe en traits épais). L’axe horizontal repère les valeurs de l’angle d’élévation, noté Q et mesuré par rapport à la direction perpendiculaire au plan d’antenne, et l’axe vertical repère les valeurs de la densité de puissance rayonnée, notée D et exprimée en dB (décibel). Les deux courbes montrent qu’une valeur de directivité d’au moins 33 dBi est obtenue dans chaque cas. De façon connue, la directivité est définie comme la valeur maximale de densité de puissance d’émission par unité d’angle solide, correspondant à la direction de pointage de l’antenne-réseau 100, divisée par la valeur moyenne de cette densité de puissance d’émission sur tout l’intervalle complet d’angle solide, c’est-à-dire sur 4·p stéradians. [0047] [Fig. 8] is a diagram which shows the variations of the power density which is radiated by the array antenna 100 in a meridian plane, for two values of elevation of the transmission-reception direction: 0 ° (line curve thin) and -60 ° (curve in thick lines). The horizontal axis marks the values of the elevation angle, noted Q and measured with respect to the direction perpendicular to the antenna plane, and the vertical axis marks the values of the radiated power density, denoted D and expressed in dB (decibel). The two curves show that a directivity value of at least 33 dBi is obtained in each case. In a known manner, the directivity is defined as the maximum value of transmission power density per unit of solid angle, corresponding to the pointing direction of the array antenna 100, divided by the average value of this power density of emission over the whole complete solid angle interval, that is to say over 4 · p steradians.
[0048] Enfin, [Fig. 9] montre l’antenne-réseau 100 fixée sur le fuselage d’un avion 101, avec le substrat de circuit imprimé 2 qui est parallèle à la surface externe du fuselage à l’endroit de l’antenne-réseau 100. L’antenne-réseau 100 peut alors servir à des liaisons de données entre l’avion 101 et un satellite de communication radio 102, notamment pour établir des liaisons de communication internet. En particulier, une telle liaison de données peut être conforme au système de communication qui est connu sous l’appellation «SATCOM On-The-Move». [0049] Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, les modes de réalisation alternatifs qui ont été décrits pour certains composants d’une antenne-réseau conforme à l’invention, peuvent être combinés entre eux de multiples façons entre des composants différents. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée. En particulier, elles peuvent être adaptées sans difficulté pour un fonctionnement de l’antenne dans la bande de fréquence Ka. Finally, [Fig. 9] shows the array antenna 100 attached to the fuselage of an airplane 101, with the printed circuit substrate 2 which is parallel to the outer surface of the fuselage at the location of the array antenna 100. The antenna -network 100 can then be used for data links between the aircraft 101 and a radio communication satellite 102, in particular for establishing internet communication links. In particular, such a data link may conform to the communication system which is known as "SATCOM On-The-Move". It is understood that the invention can be reproduced by modifying secondary aspects of the embodiments which have been described in detail above, while retaining at least some of the cited advantages. In particular, the alternative embodiments which have been described for certain components of an antenna array according to the invention can be combined with each other in multiple ways between different components. In addition, all the numerical values which have been quoted are only for illustration, and can be changed depending on the application considered. In particular, they can be adapted without difficulty for operation of the antenna in the Ka frequency band.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Antenne-réseau (100) comprenant : [Claim 1] Network antenna (100) comprising:
- au moins une ligne d’éléments rayonnants (Eij), chaque élément rayonnant étant adapté pour produire individuellement une radiation d’émission à partir d’un signal électrique d’excitation qui est reçu par ledit élément rayonnant ; - at least one line of radiating elements (Eij), each radiating element being adapted to individually produce emission radiation from an electrical excitation signal which is received by said radiating element;
- une unité de contrôle (1) faisant fonction de formateur de faisceau ; - a control unit (1) acting as a beam former;
- au moins une ligne à retard (Li), qui est constituée par un assemblage en série de motifs de ligne (Mij), chaque motif de ligne étant adapté pour retransmettre un signal électromagnétique reçu en entrée par ledit motif de ligne, avec un retard variable au motif de ligne suivant à l’intérieur de la ligne à retard, de sorte que le signal électromagnétique constitue une onde progressive guidée qui se propage le long de la ligne à retard à partir d’une extrémité d’alimentation de ladite ligne à retard, et chaque motif de ligne étant pourvu d’au moins une entrée de commande permettant de varier le retard qui est produit par ledit motif de ligne pour le signal électromagnétique ; et - at least one delay line (Li), which is constituted by a series assembly of line patterns (Mij), each line pattern being adapted to retransmit an electromagnetic signal received at the input by said line pattern, with a delay variable to the next line pattern within the delay line, so that the electromagnetic signal constitutes a guided traveling wave which propagates along the delay line from a supply end of said line to delay, and each line pattern being provided with at least one control input for varying the delay which is produced by said line pattern for the electromagnetic signal; and
- des liaisons d’excitation (Lij), couplant un-à-un chaque motif de ligne (Mij) de la ligne à retard (Li) à un des éléments rayonnants (Eij) de la ligne des éléments rayonnants, chaque liaison d’excitation étant adaptée pour transmettre à l’élément rayonnant correspondant, en tant que signal électrique d’excitation pour ledit élément rayonnant, un signal électrique qui correspond à une phase de l’onde progressive guidée telle qu’existant au niveau du motif de ligne qui est couplé par ladite liaison d’excitation, la ligne d’éléments rayonnants et la ligne à retard ainsi couplées l’une à l’autre formant une ligne d’antenne, l'unité de contrôle étant adaptée pour transmettre à l’au moins une entrée de commande de chaque motif de ligne, une commande individuelle qui détermine une valeur du retard qui est produit par ledit motif de ligne pour le signal électromagnétique, de sorte que l’unité de contrôle détermine, par l’intermédiaire des commandes individuelles, une direction d’émission de rayonnement par l’antenne-réseau (100), dans laquelle chaque motif de ligne (Mij) comprend au moins une unité de cellule à retard, ladite unité de cellule à retard comprenant au moins un premier condensateur (V1 , V2) à capacité variable, et au moins un méandre de piste conductrice qui est combiné avec un second condensateur à capacité variable (V3, V4) pour produire une valeur variable d’inductance, et ledit motif de ligne est agencé de sorte que la commande individuelle qui est transmise par l’unité de contrôle (1 ) à l’entrée de commande dudit motif de ligne détermine des valeurs de capacité desdits premier et second condensateurs, l’antenne-réseau (100) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une structure de blindage (21 , 22) disposée à proximité de la ligne à retard (Li), de façon à occulter au moins partiellement des rayonnements produits par les motifs de ligne (Mij) de ladite ligne à retard, sans occulter significativement les radiations d’émission qui sont produites par les éléments rayonnants (Eij) couplés auxdits motifs de ligne. - excitation links (Lij), coupling one-to-one each line pattern (Mij) of the delay line (Li) to one of the radiating elements (Eij) of the line of radiating elements, each connection of excitation being adapted to transmit to the corresponding radiating element, as an excitation electrical signal for said radiating element, an electrical signal which corresponds to a phase of the guided traveling wave as existing at the line pattern which is coupled by said excitation link, the line of radiating elements and the delay line thus coupled to one another forming an antenna line, the control unit being adapted to transmit to the at least a control input of each line pattern, an individual control which determines a value of the delay which is produced by said line pattern for the electromagnetic signal, so that the control unit determines, through the individual controls, a direction of issue of radiation by the array antenna (100), wherein each line pattern (Mij) comprises at least one delay cell unit, said delay cell unit comprising at least a first variable capacitance capacitor (V1, V2) , and at least one conductive track meander which is combined with a second variable capacitance capacitor (V3, V4) to produce a variable inductance value, and said line pattern is arranged so that the individual control which is transmitted by the control unit (1) to the control input of said line pattern determines capacitance values of said first and second capacitors, the array antenna (100) being characterized in that it further comprises a shielding structure (21, 22) disposed near the delay line (Li), so as to at least partially obscure the radiation produced by the line patterns (Mij) of said delay line, without significantly obscuring the radiation emission which are produced by the radiating elements (Eij) coupled to said line patterns.
[Revendication 2] Antenne-réseau (100) selon la revendication 1, dans laquelle chaque liaison d’excitation (Lij) s’étend à travers une ouverture (Oij) de la structure de blindage (21, 22), ladite ouverture étant située entre le motif de ligne (Mij) et l’élément rayonnant (Eij) qui sont couplés l’un à l’autre par ladite liaison d’excitation. [Claim 2] An array antenna (100) according to claim 1, wherein each excitation link (Lij) extends through an opening (Oij) of the shield structure (21, 22), said opening being located between the line pattern (Mij) and the radiating element (Eij) which are coupled to each other by said excitation link.
[Revendication 3] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la ligne à retard (Li) est formée dans au moins une surface métallisée d’un support de circuit imprimé (2), notamment par une technologie coplanaire de circuit imprimé selon laquelle une piste de transport de signal électrique et une piste de masse électrique sont formées dans une même surface métallisée. [Claim 3] Antenna array (100) according to any one of the preceding claims, in which the delay line (Li) is formed in at least one metallized surface of a printed circuit support (2), in particular by a Coplanar printed circuit technology in which an electrical signal transport track and an electrical ground track are formed in a single metallized surface.
[Revendication 4] Antenne-réseau (100) selon la revendication 3, dans laquelle les éléments rayonnants (Eij) qui sont connectés aux motifs de ligne (Mij) de la ligne à retard (Li) par les liaisons d’excitation (Lij), sont portés par le même support de circuit imprimé (2) que celui de la ligne à retard. [Claim 4] An array antenna (100) according to claim 3, wherein the radiating elements (Eij) which are connected to the line patterns (Mij) of the delay line (Li) by the excitation links (Lij) , are carried by the same printed circuit support (2) as that of the delay line.
[Revendication 5] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle certaines au moins des liaisons d’excitation (Lij) comportent chacune au moins un élément de couplage variable (V5), ledit élément de couplage variable ayant une entrée de commande adaptée pour recevoir un signal d’intensité de couplage qui est délivré par l’unité de contrôle (1), et étant agencé pour varier une intensité du signal électrique d’excitation tel que reçu par l’élément rayonnant (Eij) qui est couplé par ladite liaison d’excitation, par rapport au signal électromagnétique tel que transmis dans la ligne à retard (Li) par le motif de ligne (Mij) qui est couplé par la même liaison d’excitation. [Claim 5] An array antenna (100) according to any preceding claim, wherein at least some of the excitation links (Lij) each have at least one variable coupling element (V5), said variable coupling element. having a control input adapted to receive a coupling strength signal which is output from the control unit (1), and being arranged to vary an intensity of the electrical excitation signal as received by the radiating element ( Eij) which is coupled by said excitation link, with respect to the electromagnetic signal as transmitted in the delay line (Li) by the line pattern (Mij) which is coupled by the same excitation link.
[Revendication 6] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque élément rayonnant (Eij) comprend au moins un élément de surface métallisé ou métallique, qui est couplé par liaison électrique continue ou couplé à distance par interaction électromagnétique au motif de ligne (Mij) correspondant, de façon à former la liaison d’excitation (Lij) entre ledit élément rayonnant et ledit motif de ligne. [Claim 6] An antenna array (100) according to any one of the preceding claims, wherein each radiating element (Eij) comprises at least one metallized or metallic surface element, which is continuous electrically coupled or remotely coupled by electromagnetic interaction with the corresponding line pattern (Mij), so as to form the excitation link (Lij) between said radiating element and said line pattern.
[Revendication 7] Antenne-réseau (100) selon la revendication 6, dans laquelle chaque élément rayonnant (Eij) comprend plusieurs éléments de surface métallisés ou métalliques (Eij°-Eij4), qui sont superposés et tous couplés à la ligne d’excitation (Lij) dudit élément rayonnant, et qui ont des dimensions différentes de façon à produire des efficacités d’émission de rayonnement qui sont maximales pour des valeurs de fréquence du rayonnement qui sont différentes entre au moins deux des éléments de surface d’un même élément rayonnant. [Claim 7] An antenna array (100) according to claim 6, wherein each radiating element (Eij) comprises several metallized or metallic surface elements (Eij ° -Eij 4 ), which are superimposed and all coupled to the line of. excitation (Lij) of said radiating element, and which have different dimensions so as to produce radiation emission efficiencies which are maximum for frequency values of the radiation which are different between at least two of the surface elements of the same radiating element.
[Revendication 8] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une même ligne d’éléments rayonnants est associée à deux lignes à retard (Li, Li’), de sorte que chaque élément rayonnant (Eij) de la ligne des éléments rayonnants soit couplé pour recevoir un premier signal électrique d’excitation de la part d’un motif de ligne (Mij) qui appartient à une première (Li) desdites deux lignes à retard, et pour recevoir simultanément un second signal électrique d’excitation de la part d’un autre motif de ligne (Mij’) qui appartient à l’autre (Li’) desdites deux lignes à retard, de sorte qu’une différence de phase entre les premier et second signaux électriques d’excitation qui sont reçus par un même élément rayonnant détermine une polarisation de la radiation d’émission qui est produite par ledit élément rayonnant. [Claim 8] Antenna array (100) according to any one of the preceding claims, in which the same row of radiating elements is associated with two delay lines (Li, Li '), so that each radiating element (Eij ) of the line of radiating elements is coupled to receive a first electrical excitation signal from a line pattern (Mij) which belongs to a first (Li) of said two delay lines, and to simultaneously receive a second electrical excitation signal from another line pattern (Mij ') which belongs to the other (Li') of said two delay lines, so that a phase difference between the first and second electrical signals excitation which are received by the same radiating element determines a polarization of the emission radiation which is produced by said radiating element.
[Revendication 9] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs lignes juxtaposées d’éléments rayonnants (Eij), de façon à former une matrice d’éléments rayonnants, chaque ligne d’éléments rayonnants étant associée avec au moins une ligne à retard (Li) qui est dédiée à ladite ligne d’éléments rayonnants de façon à former une ligne d’antenne séparée des autres lignes d’antenne, l’antenne-réseau (100) comprenant en outre un ensemble déphaseur (3) adapté pour transmettre un même signal à émettre aux extrémités d’alimentation de toutes les lignes à retard (Li), conformément à des valeurs variables de déphasage qui sont affectées individuellement aux lignes à retard par l’unité de contrôle (1). [Claim 9] Antenna array (100) according to any one of the preceding claims, comprising several juxtaposed lines of radiating elements (Eij), so as to form a matrix of radiating elements, each row of radiating elements being associated. with at least one delay line (Li) which is dedicated to said line of radiating elements so as to form an antenna line separate from the other antenna lines, the array antenna (100) further comprising an assembly phase shifter (3) suitable for transmitting the same signal to be transmitted to the supply ends of all the delay lines (Li), in accordance with variable phase shift values which are individually assigned to the delay lines by the control unit (1).
[Revendication 10] Antenne-réseau (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une longueur de pas des éléments rayonnants (Eij), mesurée entre deux éléments rayonnants quelconques qui sont voisins à l’intérieur de ladite antenne-réseau, est inférieure ou égale à une valeur de longueur d’onde la plus petite dans une bande de transmission de l’antenne-réseau, divisée par le terme (1+sin(0max)), où 0max est une valeur maximale d’angle d’élévation du pointage de l’antenne. [Revendication 11] Véhicule (101), comprenant une antenne-réseau qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, et qui est installée à bord dudit véhicule, ledit véhicule pouvant être en particulier un véhicule terrestre, un navire ou un aéronef. [Claim 10] An array antenna (100) according to any preceding claim, wherein a radiating element pitch length (Eij), measured between any two radiating elements which are neighboring within said array antenna. , is less than or equal to a smallest wavelength value in a transmission band of the antenna array, divided by the term (1 + sin (0max)), where 0max is a maximum angle value elevation of the antenna pointing. [Claim 11] Vehicle (101), comprising an array antenna which is in accordance with any one of the preceding claims, and which is installed on board said vehicle, said vehicle in particular being a land vehicle, a ship or an aircraft. .
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